Geri Dön

Synthesis and characterization of graphene oxide-based self-healable nanocomposite hydrogels

Grafen oksit esaslı kendini onaran nanokompozit hidrojellerin sentezi ve karakterizasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 683990
  2. Yazar: EZGİ BERFİN ÇEPER
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ORHAN GÜNEY
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 103

Özet

Hidrojeller, şişmiş hallerinde önemli miktarda suyu yapılarında tutabilen üç boyutlu hidrofilik çapraz bağlı yumuşak malzemelerdir. Fiziksel ve kimyasal çapraz bağlarla oluşturulabilen hidrojeller sentetik ve doğal polimerlerin çapraz bağlanması ile elde edilir. Sentetik malzemelere kıyasla, yapılarındaki yüksek su içerikleri, kimyasal ve fiziksel olarak modifiye imkânı sunuşları, hücre yapısına olan benzerlikleri nedeniyle hidrojeller, ilaç salınımı, sensörler, kontakt lensler, doku mühendisliği uygulamaları, 3 boyutlu biyobaskılar gibi birçok bilimsel alanda ilgi ile kullanılmıştır. Hidrojellerin önde gelen bu avantajlarının yanı sıra dezavantajlarından bazıları, yüksek su içeriği ve yumuşak ağları nedeniyle zayıf mekanik özellik sergilemeleri yeniden kullanılabilir uygulamalarını sınırlayan kendi kendini iyileştirme yeteneklerinin olmamasıdır. Hidrojellerin mekanik etkilere karşı düşük dayanım göstermesinin nedeni genellikle çatlak oluşumundan ve ağ yapılarındaki enerjiyi dağıtmadaki başarısızlıklarından kaynaklanır. Enerji yapıda dağılamadığı zaman bir noktada birikir ve kırılma gerçekleşir. Bu kırılma davranışı, yapıya enerjiyi eşit bir şekilde dağıtmaya yardımcı olacak mekanizmaların eklenmesi ile düzeltilebilir. Kendi kendini onarma davranışı, tersinir çapraz bağlar ile sağlanır ve bu tersinir bağlar aynı zamanda enerjiyi eşit dağıtan bir mekanizma sergiler. Bu kendini onarma davranışı kemik, deri ve kas gibi canlı dokular için doğal bir süreçtir. Doğada birçok noktada görülen bu davranış malzemelerin ömrünü uzatan en önemli noktalardan biridir. Son yıllarda bu özellikten esinlenilerek birçok etkileşim örneği sunulmuştur. Bu örnekler tersinir fiziksel bağlar ve dinamik kovalent bağlar olarak gruplandırılır. Hidrojen bağları, iyonik bağlar, elektrostatik etkileşimler, π−π istiflemesi, moleküler tanıma ve metal koordinasyonları fiziksel bağlara örnek verilebilirken, dinamik kimyasal bağlar, boronat-katekol kompleksleşmesi, radikal reaksiyonlar ve klik reaksiyonları kovalent bağlara örnek verilebilir. Hidrojellerin mekanik özelliklerini arttırmak için çeşitli yöntemler incelenmiştir. Bu yöntemler, monomer miktarının arttırılması, çapraz bağlayıcı miktarının arttırılması, polimerizasyon koşullarının değiştirilmesi ve hidrojel ağına mekanik mukavemet kazandıran malzemeler eklenmesi şeklinde örneklenebilir. Başka bir deyişle jellerin tokluklarını arttırmak için topolojik jeller, çift ağ yapılı veya üçlü ağ yapılı jeller ve nanoparçacık (NP) içeren jeller geliştirilmiştir. Nanoparçacık içerikli jeller mekanik özellikleri arttırmanın yanı sıra jellere optik, manyetik, termal ve elektriksel gibi farklı özellikler de eklemiştir. Bu özellikler, jellerin sensörler, elektronikler, optikler, ilaç salınımı gibi birçok farklı biyoteknolojik alandaki kullanım potansiyelini arttırmıştır. Hidrojellerin yapılarına farklı çeşitlerde inorganik ve organik nanoparçacıklar dâhil edilmiştir. Bu nanoparçacıklar; metal ve metal oksitler (altın, gümüş, demir oksit), seramik ve inorganikler (silikat, silikatlar, kalsiyum fosfat), polimerik nanoparçacıklar (miseller, hiper-dallı polyesterler), ve karbon temelli nanoparçacıklar (karbon nanotüpler, grafen, grafen oksit) olmak üzere sınıflandırılabilir. Bu nanoparçacıklar arasında grafen oksitler, üstün mekanik mukavemetleri, kimyasal ve fiziksel xxvi modifikasyonlara fırsat sunan hidrofilik fonksiyonel grupları ve yüksek yüzey alanları nedeni ile yaygın olarak kullanılmaktadır. Grafen oksitler grafitin Modifiye Hummers yöntemi ile sentezlenmesi sonucu elde edilir. Grafen oksit bazal düzleminde oksijen içeren çeşitli fonksiyonel gruplarla süslenmişi bel peteğini andıran altıgen şeklinde, 2 boyutlu bir nanotabakadır. Yüzeyinde bulunan gruplar çözünürlük sağlarken aynı zamanda farklı modifikasyonlara da olanak sağlar. Grafen oksit, mekanik özellikleri arttırmak amacı ile birçok kez hidrojellere katılmış ve etkileri incelenmiştir ancak yüksek konsantrasyonu polimer matris içerisinde homojen olmayan dağılımlara neden olabilir ve matris içerisinden nano tabakaların salınımına neden olabilir. Bu nedenle tezimizin amacı grafen oksit ve modifiye edilmiş grafen oksit içeren hidrojellerin şişme, mekanik ve kendini onarma özelliklerine bu nanoparçacıkların etkilerini araştırmaktır. İlk olarak grafen oksit, Modifiye Hummers yöntemi ile sentezlenmiştir. Ardından, (3-Merkaptopropil) trimetoksisilan (MPTS) ajanı ile silanizasyon yöntemiyle modifiye edilmiştir ve vinil-grafen oksit yapısı (V-GO) elde edilmiş ve vinyl-grafen oksit yapısı (V-GO) elde edilmiştir. Silan ajanının grafen oksit ile etkileşimi, GO yüzeyindeki fonksiyonel gruplar (hidroksil grupları) ile MPTS moleküllerinde bulunan silan grupları arasındaki reaksiyon yoluyla gerçekleşmiştir. Grafen oksitin MPTS ajanı ile modifiye edilmesi birçok araştırmacı tarafından incelenmiş olup akrilamid ve katyonik monomer eşliğinde hidrojel çalışmasına literatürde rastlanmamıştır. Nanoparçacık bazlı hidrojeller (AAm-MAPTA/GO ve AAm-MAPTA/V-GO), akrilamid (AAm) ve katyonik [3-(Metakriloilamino)propil] trimetilamonyum klorür (MAPTA) monomerlerinin serbest radikal polimerizasyonu ile çapraz bağlayıcı N,N'-metilenbis (akrilamid) (BIS) ve başlatıcılar eşliğinde sentezlenmiştir. Tüm hidrojellerde çapraz bağlayıcı, başlatıcı ve monomer konsantrasyonları sabit tutulurken, nanopartikülün hidrojel davranışı üzerindeki etkisini araştırmak için GO ve V-GO konsantrasyonları 1, 2, 4 ve 6 mg/ml olarak değiştirilmiştir. GO ve V-GO, çeşitli yöntemler ile karakterize edilmiştir. Burada sunulan hidrojellerin mekanik özellikleri ve kendini onarma özellikleri Universal Testing Machine ile polimerizason kinetiği ve frekans ölçümleri de Bohlin Gemini 150 Rheometer sistemi ile karakterize edilmiştir. Jellerin şişme davranışları üç farklı pH ortamında incelenmiştir. Çeşitli GO ve V-GO içerikli nanokompozit hidrojellerin pH 3, 7 ve 12 sulu çözeltide şişme davranışı, hem nanotabaka içeriğinin hem de çözeltinin pH'ının bir fonksiyonu olarak incelenmiştir. Hidrojellerin pH'a duyarlı olduğu ve AAm-MAPTA/GO ve AAm-MAPTA/V-GO hidrojellerinin her ikisinin de pH 3 ve 12 arasında farklı şişme davranışları gösterdiği görülmüştür. Hidrojeller için en yüksek şişme derecesi pH 7,0 olan çözeltide görülürken, en düşük şişme davranışı her bir GO ve V-GO içeren jeller için pH 12 ortamında görülmüştür. Jellerin şişme derecesi pH 12 ortamında maksimum değere ulaştıktan sonra azalma göstermiştir ve bu durum ağ içindeki elektrostatik etkileşimi güçlendirebilen amid grubunun karboksilik aside hidroliz olması ile açıklanmıştır. Modifiye edilen grafen oksit içerikli jellerde şişme derecelerinin her bir pH ortamında GO içeren jellere göre daha düşük olduğu görülmüştür. Bu durum, V-GO nanoparçacıklarının yapıya ekstra kovalent bağ kattığını desteklemektedir ve bu bağlar jellerin şişme potansiyellerini düşürmüştür. Farklı miktarlarda GO ve V-GO içeriğine sahip jellerin mekanik özellikleri su içeriklerinin %30 değerine ulaştırılması ile incelenmiştir. Mekanik testlerin sonucunda jellerin kırılma stresi (482 kPa'ya kadar), Young modülü (226 kPa'ya kadar) ve kopma uzaması (% 1860'a kadar), değerlerinin arttığı gözlemlenmiştir. Yapıya V-GO xxvii katılması ile birlikte Young modülü (266 kPa'ya kadar), kırılma stresi (521 kPa'ya kadar) ve kopma uzaması (% 1997'a kadar) değerlerinin daha da arttığı görülmüştür. Ayrıca, mekanik testler, artan katkı içeriği ile hidrojellerin hem modül değerlerinin hem de kırılma stresinin önemli ölçüde arttığını ortaya koymuştur. Nanokompozit hidrojellerin kendi kendini iyileştirme etkinleri ağırlıkça %30 su içeren jellerde incelenmiştir. İlk olarak jellerin su yüzdeleri %30'a getirilip numuneler ortadan kesilmiştir. Daha sonra birbirine temas ettirilen jeller bu temas yüzeylerine su damlatılarak 24 saat bekletilmiş, %30 su içeriğinde test edilmiştir. Nanokompozit jellerin kendi kendini iyileştirme özellikleri analiz edildiğinde, tüm jellerin modüle bağlı kendi kendini iyileştirme verimliliğinin yüzde yüzün üzerinde olduğu, AAm-MAPTA/GO jelleri için kırılma stresi veriminin GO miktarı ile azalırken, V-GO için neredeyse benzer aralıklarda kaldığı gözlemlenmiştir. GO jelleri için kırılma stresi, GO miktarı ile azalırken (%58'e kadar), V-GO içeriği ile neredeyse değişmez kaldığı (%50, %44 arasında) kopma uzaması değerlerinde AAm-MAPTA/GO jelleri %80 verim sağlarken, AAm-MAPTA/V-GO jellerinin veriminin %55'e düştüğü görülmüştür. Sonuçlar, modifiye edilmiş grafen oksit nanoparçacıklarının, hidrojellerin ağ yapısında homojen ve kararlı bir şekilde dağılarak sentezlenen jellerin daha sürdürülebilir ve bozulmaya karşı daha stabil olmalarını sağladığını göstermiştir. Yapılan tüm karakterizasyon ölçümleri, hem AAm-MAPTA/GO hem de AAm-MAPTA/V-GO içeren jellerin, AAm-MAPTA jeli ile karşılaştırıldığında gelişmiş mekanik özellikler sergilediğini göstermiştir.

Özet (Çeviri)

Hydrogels are three-dimensional hydrophilic cross-linked soft materials that can retain a significant amount of water in their swollen state. Due to their high water content, structural similarity to the extracellular matrix, possibility to chemically and physically modifications, hydrogels have been received considerable attention in broad scientific areas such as drug delivery, sensors, contact lenses, smart actuators, tissue engineering, 3D bio printing, gene delivery, and water treatment. One of the disadvantages of hydrogels is their poor mechanical properties due to their high water content and soft network as well as the absence of self-healing ability which limits their strength required and reusable applications. This poor mechanical property of hydrogels is generally derived from the crack formation and failure to dissipate energy in the network. Since the self-healing behavior is based on an energy-dissipating mechanism, where cross-linking is achieved by reversible bonds in gel network results in recovery ability. This phenomenon is originally adjusted from living organisms such as skins, tissues and bones. Recovery behavior has been signed as one of the most remarkable properties of biomaterials to extend their lifetime. Self-healing can be introduced into hydrogels by reversible noncovalent and covalent bonds such as hydrogen bonding, ionic bonding, electrostatic interactions, π−π stacking and disulfide bonds, click chemistry, boronate-catechol complexation, dynamic reshuffling radical reactions respectively. These hydrogels can maintain their original shape after the damage is removed. Even though the rise of self-healing gels gained attention, larger interest has been focused on adjusting the mechanical strength. Diverse strategies have been studied to enhance the mechanical performance of hydrogels as well as introducing further properties such as self-healing, conductivity, and elasticity. These strategies can be expressed as the development of double network and triple network hydrogels, topological gels and introduction of nanoparticles. The strength of hydrogels can be altered by the simple addition of nanoparticles such as polymeric nanoparticles (micelles, hyper-branched polyesters, etc.), metal/metal-oxide nanoparticles (iron oxide, gold, silver), inorganic/ceramic nanoparticles (calcium phosphate, silica, hydroxyapatite), and carbon-based nanoparticles (carbon nanotubes (CNTs), graphene). Graphene oxide (GO), the precursor of graphene, is widely conducted in hydrogel development due to its remarkable properties such as superior mechanical strength, abundant hydrophilic functional groups which offers chemical and physical modifications, ability to disperse in aqueous media and large surface area. The introduction of graphene oxide into the gel network not only strengthens the hydrogel but also provides additional properties into the polymer as conductivity, magnetic and optical features. xxiv Here in this thesis, we designed and characterize GO and vinyl modified GO-based hydrogels with enhanced mechanical property and self-healing ability. First, graphene oxide was synthesized from graphite powder by modified Hummer's method. Dispersed graphene oxide was successfully functionalized with vinyl group by using (3-Mercaptopropyl) trimethoxysilane (MPTS) via silanization method and vinyl modified-graphene oxide structure (V-GO) was obtained. The interaction of the silane moieties to the graphene oxide was raised via the reaction between oxygenated groups (hydroxyl groups) on the GO surface and alkoxy groups present in the silane molecules. This silanization method has been studied by researchers, yet no other study has been introduced to acrylamide (AAm) and cationic monomer complex in order to prepare hydrogels. Hydrogels were synthesized by in-situ free-radical polymerizations of AAm and cationic [3-(Methacryloylamino)propyl] trimethylammonium chloride (MAPTA) monomers in the presence of cross-linker N, N′-Methylenebis(acrylamide) (BIS), and initiators. In all hydrogels, cross-linker, initiators, and monomer concentrations were kept constant, on the other hand, nanoparticle concentrations were varied as 1,2,4, and 6 mg/ml for both GO and V-GO for investigating the effect of nanoparticle on the hydrogel behavior. Both GO and V-GO were characterized by several methods such as FT-IR, UV-vis spectroscopy, SEM and Zeta-sizer Nano-ZSP. The hydrogels presented here have been tested for mechanical and self-healing behaviors with Universal Testing Machine. Polymerization kinetics and frequency measurements were carried out by Bohlin Gemini 150 Rheometer system and swelling behavior were investigated in three different pH mediums.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    566986

    Kendi kendini onarabilen poliüretan nanokompozit kaplamaların sentezi ve karakterizasyonu

    Synthesis and characterization of self-healing polyurethane nanocomposite coatings

    SEDA AKHAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    KimyaMarmara Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NİLHAN KAYAMAN APOHAN

    DOÇ. DR. SEYFULLAH MADAKBAŞ

  2. Tez No

    719649

    Nanostructuredpolythiophene hybrid chargetransfer complexes

    Başlık çevirisi yok

    EMİN ISTİF

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    KimyaUniversidad de Zaragoza

    DR. WOLFGANG MASER

  3. Tez No

    883919

    Elektrokimyasal enerji depolama uygulamaları için nanoyapı-kontrollü elektrot malzemelerinin geliştirilmesi

    Development of nanostructure-controlled electrode materials for electrochemical energy storage applications

    NERİMAN SİNAN TATLI

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    EnerjiBursa Teknik Üniversitesi

    İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ECE ÜNÜR YILMAZ

  4. Tez No

    750889

    Grafen oksit esaslı hibrit materyaller ve vanadil komplekslerinin sentezi ve karakterizasyonu

    Synthesis and characterization of graphene oxide based hybrid materials and their vanadyl complexes

    MEHMET İSA TONTUŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    KimyaKahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET TÜMER

  5. Tez No

    665402

    Grafen oksit ve kitosan hibrit yapıların sentezi ve karakterizasyonu

    Synthesis and characterization of graphene oxide and chitosan hybrid structures

    EBRU GÜVEN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    KimyaEskişehir Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ASİYE SAFA ÖZCAN

Geri Dön