Geri Dön

Charged functionalized semi-ipn nanocomposite materials with enhanced physico-chemical properties

Gelişmiş fizikokimyasal özelliklere sahip fonksiyonel yarı-ıpn nanokompozit malzemeler

PDF İndir

  1. Tez No: 738077
  2. Yazar: KÜBRA KARA ERSOY
  3. Danışmanlar: PROF. DR. NERMİN ORAKDÖĞEN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Kimya, Chemistry
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kimya Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 117

Özet

Nano ölçekli sentetik, yarı sentetik veya doğal polimerlerden yapılan polimerik nanomalzemeler, tüketiciden biyomedikal ürünlere kadar değişen uygulamalar için yeni keşfedilen malzemelerdir. Nanomalzemelerin polimer matrislere dahil edilmesi, mevcut materyalin özelliklerini geliştirme yetenekleri nedeniyle günümüzde yaygın olarak tercih edilmektedir. Böylece, nanomalzeme kullanımı çok sayıda uygulama alanına genişletilmiştir. Geleneksel polimerik jeller, zayıf mekanik özellikleri, çevresel uyaranlara yavaş tepki göstermesi ve düşük elastisite gibi eksikliklerin giderilmesi açısından gelişime açık bir araştırma alanıdır. Mekanik dayanıklılık, absorbsiyon yeteneği, şişme kapasitesi, çevresel koşullara tepki süresinin kısalması, polimerik jellerin etkin kullanımı için malzeme üzerinde üstün kontrol yetkisine sahip olunmasını sağlayan önemli özelliklerdir. Sentez koşullarında optimizasyon yapılması, sentez sırasında kimyasal çapraz bağlayıcı veya nano-boyutta inorganik katkı/dolgu maddeleri eklenmesi, farklı ağ yapılarının kombine edilmesi gibi çeşitli stratejiler kullanılarak üstün fiziko-kimyasal özelliklere sahip jeller elde edilebilir. Polimerik nanokompozitlerin özellikleri, sentezleri için hangi işlemin kullanıldığına, matriste kullanılan nanomalzemenin tipine, doğasına ve miktarına bağlı olarak istenilen yönde ve oranda değiştirilebilir. Bu tezde, fibröz nanokil katkılı ve anyonik olarak modifiye edilmiş yarı iç içe geçmiş (yarı-IPN) jeller yeni ve umut verici nanomalzemeler olarak tasarlanmıştır. Deneysel çalışma, bir fibröz yapılı bir kil türü olan sepiyolit (SEP), anyonik ko-monomer sodyum akrilat (NaA) ve lineer polimer polietilen glikol-2000 (PEG) parametrelerinin yarı-IPN yapıda poli(akrilamid-ko-sodyum akrilat)/PEG-SEP nanokompozit jellerin nihai özellikleri üzerindeki etkisinin araştırılmasına odaklanmaktadır. Yarı-IPN matrisi içinde homojen bir dolgu dispersiyonu elde etmek için, in-situ polimerizasyon yoluyla sentez yapılmıştır. Nanokompozit kriyojel ve hidrojellerin sentezinde kullanılan prosedür, serbest radikal çapraz bağlama kopolimerizasyonuna dayanmaktadır. Serbest radikal (kriyo)polimerizasyon prosedürü modifiye edilerek, bir dizi yarı-IPN poli(akrilamid-ko-sodyum akrilat)/PEG-SEP nanokompozit kriyojeller ve hidrojeller değişen sepiyolit miktarında ve jelleşme sıcaklıklarında sentezlenmiştir. SEP yüklemelerinin etkisi, X-ışını kırınımı (XRD), Fourier dönüşümü kızılötesi (FTIR) spektroskopisi ve termogravimetrik (TGA) analizi ile incelenmiştir. Yarı IPN nanokompozit kriyojellerin ve hidrojellerin fiziko-kimyasal ve mekanik özellikleri üzerinde fibriler SEP'nin silanol gruplarının etkisi değerlendirilmiştir. Çalışmanın amacı, iç içe geçmiş polimerik ağ sistemine anyonik ko-monomer NaA, lineer polimer PEG ve fiber yapılı bir kil olarak SEP'in dahil edilmesinin, elde edilen nanokompozit kriyojellerin elastisite ve şişme performansı üzerindeki etkisini gözlemlemektir. Nanokompozit jeller, geleneksel polimerik jellerde gözlenen dezavantajları ve zayıf özellikleri iyileştirmek için IPN oluşumu ve inorganik nanopartikül ilavesi yoluyla jelleri yeniden tasarlamaya odaklanmıştır. Bu yöntemler arasında; polimerik yapılarda kilin nano ölçekli dağılımı, yüksek mekanik dayanım, sertlik ve hızlı-cevap verme gibi özellikler sergilediği için önemlidir. Örneğin jeller bu özellikleri sayesinde ilaçları, enzimler ve düşük mide pH'ı gibi olumsuz ortamlardan koruyabilir ve pH değişimine hızlı tepkileri ile hacimlerinin onlarca katı şişip küçülerek ilaç salınımını kontrol edebilirler. Üstün fiziko-kimyasal özelliklere sahip jeller, sentez koşullarının değiştirilmesi, sentez sırasında kimyasal çapraz bağlayıcılar veya nano boyutlu inorganik katkılar/dolgular eklenmesi ve farklı ağ yapılarının birleştirilmesi gibi çeşitli stratejiler kullanılarak elde edilebilir. Süngerimsi yapıları ve dayanıklılıkları nedeniyle, bir polimer çözeltisinin kontrollü dondurulup çözülmesiyle sentezlenen kriyojeller ağ yapılarında iki veya daha fazla komponenti içerecek şekilde dizayn edilebilir. Farklı polimerik komponentlerin bir araya gelmesiyle oluşan IPN'ler ve sentetik veya doğal bir polimer ile inorganik bir katkı maddesinin nanometre boyutunda bir araya gelmesiyle elde edilen nanokompozitler en çarpıcı fonksiyonel jel tasarım yöntemleridir Polimer-kil nanokompozit hidrojellerin, yarı-IPN hidrojellere kıyasla önemli ölçüde geliştirilmiş şişme, mekanik ve termal özelliklerin yanı sıra gelişmiş tepki hızı davranışları sergilediği kanıtlanmış olmasına rağmen, kil veya kil içeren yarı-IPN nanokompozit jelleri tasarlamak için verimli bir sentez yolu arayışı hala geçerlidir. Bu nedenle yüksek mekanik özelliklere sahip ve sistemden beklenen davranışları en uygun şekilde gerçekleştiren yarı IPN nanokompozit bir kompozisyon elde etmek malzeme dizaynında önem taşımaktadır. Geleneksel malzemelerin özellikleri, lifleri ve nanopartikülleri polimer yapılara takviye ederek geliştirilebilir. Bu nedenle tez çalışmasında, SEP ve yarı-IPN matrisi arasındaki arayüzey etkileşimleri incelenmiştir. Fiber yapıda bir kil minerali olan SEP, çeşitli organik ve inorganik kirleticilerin, boyaların ve ağır metallerin uzaklaştırılmasının yanı sıra polimer bazlı matrislerde mekanik güçlendirme sağlamak için uygun bir adaydır. Yüksek yüzey alanı, parçacıklar üzerindeki yükü ve yapıdaki kanalları nedeniyle çeşitli malzemeler için yüksek absorpsiyon kapasitesine sahiptir ve moleküllerle bağlanmayı destekleyen büyük oranda adsorpsiyon bölgelerine sahiptir Hazırlanan yarı-IPN nanokompozit jellerde SEP içeriğinin ve polimerizasyon sıcaklığının elastik modül üzerindeki etkisini belirlemek için tek eksenli sıkıştırma testleri yapılmıştır. SEP içermeyen yarı IPN'lerle karşılaştırıldığında, nanokompozitlerin mekanik özelliklerinin kopolimerik matrise SEP'in eklenmesiyle iyileştiği gözlemlenmiştir. Özellikle, %5.0 (a/h) SEP'li yarı-IPN nanokompozit kriyojeller için, SEP'siz yarı-IPN'ye kıyasla sıkıştırma modülünde 17.8 katlık bir artış gözlemlenmiştir. Karşılaştırma yapabilmek amacıyla hazırlanan Sep içermeyen yarı-IPN jeller, çapraz bağlama kopolimerizasyonu ile çapraz bağlama maddesi olarak N,N-metilenbisakrilamid (BAAm) varlığında iyonik olmayan ana monomer AAm ve anyonik komonomer NaA ile sentezlenmiştir. Yarı-IPN hidrojelleri ve kriyojel sentezi için, AAm, NaA ve BAAm monomerlerine göre belirli bir oranında lineer bir polimer olan PEG-2000 ilave edilmiş ve bu oran tüm sentezlerde sabit tutulmuştur. Böylelikle istenen yarı-IPN yapısını sağlamak için kopolimerik matrise sabit miktarlarda PEG-2000 zincirleri eklenmiştir. Yarı-IPN nanokompozit yapı elde etmek içinde, verimli bir nanodolgu maddesi olarak seçilen fibril yapıdaki SEP yarı-IPN kopolimerik matrise dahil edilmiştir. Granüler SEP, değişen besleme bileşimlerinde ultra saf su içinde dağıtılarak önceden herhangi bir işleme tabi tutulmadan kullanılmıştır. Elde edilen yarı-IPN nanokompozit malzeme içeriği, %0 ila 5.50 (a/h) arasında değişen SEP'ten oluşurken, beslemedeki monomerlerin kütlece konsantrasyonu sabit tutulmuştur. Tez çalışmasında optimum nanokompozit kompozisyonunu ve sentez koşullarını belirlemek için, üç faktörlü (matris yapısı, SEP içeriği ve polimerizasyon sıcaklığı) ve on bir yarı-IPN nanokompozit matrisi ile sentez aşaması tasarlanmış, ve nihai ürünün karakteristik davranışları ve özelliklerini belirlemek için ölçümler yapılmıştır. Yapısal karşılaştırma için homopolimerik poliakrilamid (PAAm) hidrojel ve kriyojeller ile birlikte kopolimerik poli(akrilamid-ko-sodyum akrilat) hidrojel ve kriyojelleri aynı prosedürle hazırlanmıştır. Nanokompozit malzeme sentezinde SEP kullanılması mevcut malzemenin su alma kapasitesinde ve şişme-büzülme davranışlarında etki yaratacağında sentezlenen nanokompozit kriyojeller ve hidrojeller şişme davranışı incelenmiştir. Su içerisindeki şişme kapasitesi SEP miktarındaki artışla azalırken, polimerizasyon sıcaklığındaki artışla arttığı gözlemlenmiştir. Elde edilen nanokompozit malzemenin çevresel etkenelere karşı davranışını gözlemlemek ve olası uygulama alanlarını belirlemek için şişme kapasitesi testleri sadece distile su ile değil çeşitli çözücü ortamlarında da belirlenmiştir. Yarı-IPN'lerin şişmesi, farklı çözünürlük parametrelerine sahip on iki farklı çözücü setinde incelenmiştir ve en iyi çözücü kombinasyonu olarak kloroform/n-heksan olarak bulunmuştur. Yarı-IPN jellerin şişme ve büzülme davranışını belirlemek için, jeller ardışık olarak belirli zaman aralıklarında ve pH 2.1–11.2 gibi farklı asidik ve bazik ortam koşullarına maruz bırakılarak şişme kapasitesi ölçümleri yapılmıştır ve SEP ile güçlendirilmiş nanaokompozit kriyojel ve hidrojel yapılarının pH'a karşı yüksek hassasiyet ve şişme-büzülme davranışı sergilediği gözlenmiştir. Suyun difüzyon mekanizmasını incelemek için dinamik şişme analizi gerçekleştirilmiştir. pH 11.2'de suyun difüzyon kinetiğinden belirlenen difüzyon üssü n < 0.5, şişmenin esas olarak difüzyon kontrollü olduğunu göstermiştir. Elde edilen nanokompozit kriyojel ve hidrojellerin farklı ortam koşullarına maruz bırakıldığındaki tepkisini gözlemlemek için farklı tuz çözeltileri hazırlanmış ve yarı-IPN nanokompozit jellerin şişme kapasitesi belirlenmiştir. Karşı iyonun denge şişmesi üzerindeki etkisini belirlemek için yarı-IPN'lerin tuz-duyarlılığı Hofmeister serisinden tek değerli potasyum tuzları kullanılarak incelenmiştir. Artan tuz konsantrasyonu, şişme oranında önemli bir düşüşe neden olmuş ve karşı iyonlara tepki, klasik Hofmeister serisinin tersi olarak gözlenmiştir. Azalan şişme oranı, l- > NO3- > Br- > CI- sırasını takip etmiştir. Hazırlanan yarı-IPN nanokompozit malzemeleri çeşitli uygulama alanlarında kullanımını araştırmak için katyonik boya Metilen mavisi seçilerek adsorpsiyon ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Mevcut sistem, farklı fonksiyonel gruplara sahip yarı-IPN nanokompozit adsorbanların hazırlanması ve kontamine sulardan katyonik Metilen Mavisi boyasının uzaklaştırılmasındaki uygulamalarda yeni bir yaklaşım sağlamıştır. İkinci dereceden kinetik modeli, adsorpsiyon işleminin kinetiğini en iyi şekilde tanımlamıştır. Tezin deneysel bölümündeki bulgular, akıllı-yanıt veren malzemeler olarak polielektrolit yarı-IPN yapılı nanokompozit jellerin potansiyel uygulamalarını destekleyen malzemelerin tasarımı için bir strateji sağlayabilir.

Özet (Çeviri)

Polymeric nanomaterials made from synthetic, semi-synthetic or natural polymers in the nanoscale range are newly discovered materials used in applications ranging from consumer to biomedical products. Incorporation of nanomaterials into the polymer matrices is highly preferred today due to their ability to improve the final properties of the existing material. Their use in this way has spread to numerous application areas. Conventional polymeric gels are an open field of research that have shortcomings such as poor mechanical properties, slow response to environmental stimuli, and low elasticity ability. Mechanical strength, absorption ability, swelling capacity, shortening of reaction time to environmental conditions are important properties that provide superior control over the material for the effective use of polymeric gels. With superior physico-chemical properties, the polymeric gels can be obtained by using various strategies such as changing the synthesis conditions, adding chemical crosslinkers or nano-sized inorganic additives/fillers during the synthesis, and combining different network structures. The resulting properties of polymer-based nanocomposites depend on which process is used for the synthesis, the type, nature and amount of nanomaterial used in the matrix. In this thesis, fibrous nanoclay embedded and anionically-modified semi-interpenetrating (semi-IPN) gels were designed as new promising materials. The study maily focuses on the investigation of the effect of a fibrous nanofiller type clay sepiolite (SEP), anionic comonomer sodium acrylate (NaA) and linear polymer polyethylene glycol-2000 (PEG) on the final properties of semi-IPN poly(acrylamide-co-sodium acrylate)/PEG-SEP nanocomposite gels. In the design strategy, in-situ polymerization was conducted to obtain a homogeneous filler dispersion in the semi-IPN matrix. The procedure used in the synthesis of semi-IPN nanocomposite cryogels and hydrogels is based on free radical crosslinking copolymerization. Using the simultaneous free radical (cryo)polymerization procedure, a series of semi-interpenetrating (semi-IPN) poly(acrylamide)-co-sodium acrylate)/PEG-SEP nanocomposite cryogels and hydrogels, semi-IPN PAN/PEG-SEP, were synthesized at varying sepiolite content and gelling temperatures. To obtain the nanocomposite structure, fibrous SEP as an efficient nanofiller was added to the semi-IPN copolymeric matrix by dispersing it in ultrapure water in varying feed compositions and without any pretreatment. The resulting material content consisted of SEP ranging from 0% to 5.50% (w/v) while keeping the mass concentration of monomers in the feed constant. The effect of SEP loadings was studied by X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, and thermogravimetric (TGA) analysis. The role of silanol groups of fibrillar SEP on the physico-chemical and mechanical properties of semi-IPN nanocomposite cryogels and hydrogels has been evaluated. Compared to semi-IPNs without SEP, the mechanical properties of the nanocomposites were observed to be improved with addition of SEP. In particular, a 17.8-fold increase in the compression modulus was observed for semi-IPN nanocomposite cryogels with 5.0% (w/v) SEP compared to semi-IPN without SEP. For the preparation of SEP-free semi-IPN hydrogels and cryogels, the crosslinking copolymerization of the nonionic monomer AAm and the anionic comonomer NaA was carried out in the presence of N,N-methylenebisacrylamide (BAAm) as the crosslinking agent. In order to synthesize semi-IPN gels, the linear polymer PEG-2000 was added at a certain ratio with respect to AAm, NaA and BAAm monomers, and this ratio was kept constant in all semi-IPN nanocomposite syntheses. Thus, PEG-2000 chains were added to the composition to provide the desired semi-IPN structure. The aim of the study is to observe the effect of the incorporation of anionic co-monomer NaA, linear polymer PEG and various amount of fibrous clay SEP in the semi-IPN structure on the elasticity and swelling performance of the resulting nanocomposite gels. The interfacial interactions between the SEP and the semi-IPN matrix were investigated by performing the uniaxial compression tests and the effect of SEP content and polymerization temperature on the elastic modulus was evaluated. In the experimental part, eleven semi-IPN nanocomposite matrices were designed by changing three factors (matrix structure, SEP content and polymerization temperature) to determine the optimum semi-IPN nanocomposite composition, the synthesis conditions, and various tests were applied to determine their characteristic properties. For structural comparison, homopolymeric polyacrylamide (PAAm) hydrogels and cryogels, as well as copolymeric poly(acrylamide-co-sodium acrylate), (PAN) hydrogels and cryogels were prepared with the same procedure. Since the use of SEP in the synthesis of nanocomposite materials is expected to have an effect on the water absorption capacity and dynamic swelling-shrinkage behavior of the existing semi-IPN nanocomposites, the swelling capacity measurements were performed in different environments. The swelling capacity of semi-IPN nanocomposites in water decreased with increasing SEP amount, but increased with increasing the polymerization temperature. In order to observe the behavior of semi-IPN nanocomposite gels against environmental factors and to determine possible application areas, the swelling capacity tests were conducted not only in distilled water but also in various solvents. The swelling of semi-IPN nanocomposites was investigated in twelve different solvent sets with different solubility parameters and chloroform/n-hexane was found to be the best solvent combination for the present system. To determine the swelling and shrinkage tendency/characteristics of semi-IPN nanocomposite gels, dynamic swelling kinetics measurements were performed by reversibly exposing to different acidic and basic environmental conditions such as pH 2.1–11.2 at certain time intervals and the swelling-shrinkage behavior was followed. Dynamic swelling results were analyzed to evaluate the diffusion mechanisms of water through the semi-IPN nanocomposite matrix. The diffusion exponent n < 0.5 found to predict the adsorption mechanism of water at pH 11.2 indicated that the swelling was mainly diffusion-controlled. To understand the effect of the counterion on equilibrium swelling, the salt sensitivity of semi-IPNs was studied in monovalent potassium salts; KCl, KBr, KI and KNO3 selected from the Hofmeister series (HS). The salt solutions with concentration ranged from 10-5 M to 1.0 M were prepared to observe the response of the resultant semi-IPN nanocomposite cryogels and hydrogels when exposed to different environmental conditions, and the equilibrium-state measurements were made to evaluate their salt-dependent swelling tendencies. Increasing the salinity concentration led to a significant decline in the swelling and response to counterions is reverse of classical Hofmeister series. In order of decreasing expansion ratio, the anions followed order of l-  NO3- > Br- > CI-. The current system provides a novel insight for the preparation of semi-IPN nanocomposite adsorbents with different functional groups, and application in the removal of cationic dye Methylene Blue from contaminated feeds. Ho's pseudo second order model best described kinetics of adsorption process. The findings in the experimental part of this thesis may provide a strategy for designing promising materials that support the development of potential applications of polyelectrolyte semi-IPN nanocomposite gels as smart-responsive materials.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    763036

    Modeling of nanoparticle - membrane interactions

    Nanopartikül – membran etkileşimlerinin modellenmesi̇

    GÜLŞAH GÜL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Kimya MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. NAZAR İLERİ ERCAN

  2. Tez No

    752152

    Graphene based materials obtained from graphite and polyacrylonitrile based carbon fiber for energy storage and conversion systems

    Enerji depolama ve dönüşüm sistemleri için grafit ve poliakrilonitril esaslı karbon fiberden grafen tabanlı malzemelerin üretilmesi

    MEHMET GİRAY ERSÖZOĞLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ

    PROF. DR. YÜCEL ŞAHİN

  3. Tez No

    876249

    Synthesis and applications of aza-BODIPY derivatives with benzoic acid functional groups

    Benzoik asit fonksiyonel grupları içeren aza-BODIPY türevlerinin sentezi ve uygulaması

    SAADET ELİF DURAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET GÜL

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ŞENNUR ÖZÇELİK

  4. Tez No

    442613

    Tiyenotiyofen ve ditiyenotiyofen türevlerinin topaklanmaya bağlı ışıma özelliklerinin arttırılması için hacimli gruplarla fonksiyonlandırılması ve özelliklerinin incelenmesi

    Investigation of the properties of thienothiophene and dithienothiophene derivatives which functionalised with bulky groups for effective aggregation induced emission

    ÖZGECAN ŞAVLUĞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    KimyaYıldız Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ZEHRA NÜKET ÖCAL SUNGUROĞLU

    PROF. DR. TURAN ÖZTÜRK

  5. Tez No

    833742

    Türkiye'deki LGBTİQ+ hareketinin STK'laşması: Neoliberalizm, sivil toplum ve cinselliğin müzakeresi

    NGOization of LGBTIQ+ movement in Turkey: Negotiating neoliberalism, civil society and sexuality

    ATİLLA YARDAŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    SosyolojiHacettepe Üniversitesi

    Sosyoloji Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ SELDA TAŞDEMİR AFŞAR

Geri Dön