Design of biopolymer-based advanced functional materials

Biyopolimer esaslı gelişmiş fonksiyonel malzemelerin tasarımı

PDF İndir

Tez No: 776471
Yazar: SENA ÇİFTBUDAK
Danışmanlar: PROF. DR. NERMİN ORAKDÖĞEN
Tez Türü: Yüksek Lisans
Konular: Kimya, Chemistry
Anahtar Kelimeler: Jelatin, itakonik asit, akrilamid, elastikiyet, şişme, Gelatin, itaconic acid, acrylamide, elasticity, swelling
Yıl: 2022
Dil: İngilizce
Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
Bilim Dalı: Kimya Bilim Dalı
Sayfa Sayısı: 183

Özet

Artan çevresel farkındalık, yenilenebilir vinil bileşiklerin, çok işlevli organik asitlerin ve doğal hammaddelerin kullanımına, ve yenilikçi malzeme tasarımlarının geliştirilmesine ön ayak olmuştur. Bitki özleri ve biyopolimerler; mekanik dayanım, ayarlanabilir şişme kapasitesi ve biyolojik olarak parçalanabilirlik arasında bir denge sağlayan fonksiyonel malzeme tasarımında kullanım potansiyeline sahiptirler. Özellikle çevresel performanstaki gelişmeler ile, sürdürülebilir polimerler, bitkilerden elde edilen biyokütle ve bitkisel yağlar, nişasta, jelatin, selüloz veya kitin gibi yenilenebilir ham maddelerden elde edilen biyopolimerler kullanılabilir. Ekosistem kalitesini iyileştirmede agrokimyasal uygulamalar için geliştirilen yeni metodolojilerde, anyonik monomer itakonik asit (ITA) içeren yapılar; fiziksel, kimyasal ve biyolojik pestisitlerin uzaklaştırılmasında kullanılmaktadır. Kollajenden türetilen doğal polimer jelatin (GLN), yenilenebilir olması, düşük maliyeti, mükemmel biyouyumluluk/biyobozunurluk göstermesi, hücre yapışkan yapısı, etiketleme ve/veya hedefleme grupları ve kimyasal modifikasyonlar için çeşitli fonksiyonel gruplara sahip olması ile biyomedikal uygulamalar için önemli bir hidrokolloidal polipeptittir. Bu tezde yürütülen araştırma, biyopolimer ve karbonhidrat türevi alifatik dikarboksilik asit-bazlı gelişmiş fonksiyonel malzemelerin tasarımını kapsamaktadır. İlk aşamada anyonik olarak modifiye edilmiş kopolimer-ağ yapıların tasarımı ve ikinci aşamada jelatin içeren yarı-IPN hibrit malzemelerin hazırlanması için iki sentez grubu tasarlanmıştır. Deneysel çalışmanın ilk bölümünde, belirli bir çapraz bağlayıcı N,N'- metilenbisakrilamid (BAAm) oranınına sahip, iyonik olmayan monomer akrilamid (AAm) ve mol olarak % 0 ile 14 arasında değişen anyonik komonomer itakonik asitten (ITA) oluşan bir dizi anyonik kopolimer hidrojellerin hazırlanması amaçlanmıştır. Çalışmanın ikinci kısmında ise, birinci sentez grubundan en uygun anyonik kopolimer yapısı seçilerek çeşitli miktarlarda jelatin (GLN) ilavesi ile anyonik kopolimer ağ yapıların yarı-IPN hibrit hidrojellere dönüştürülmesi amaçlanmıştır. Poli(akrilamid- ko-itakonik asit) ve doğal bir polimer GLN kullanılarak sentezlenen yarı-IPN hibrit jeller, tek adımlı yerinde eşzamanlı çapraz bağlama kopolimerizasyonu yoluyla sentezlenmiştir. GLN içeriğinin, anyonik komonomer ITA'nın karboksil gruplarının ve GLN'nin amin/karboksil fonksiyonel gruplarının yarı-IPN hidrojel özellikleri üzerindeki etkileri, AAm/ITA mol oranı değiştirilerek araştırılmıştır. pH, zaman, GLN içeriği ve tuz çözeltileri gibi çeşitli fiziksel koşullarda meydana gelen değişikliklerin jelatin içeren yarı IPN'lerin fizikokimyasal özellikleri üzerindeki etkileri incelenmiş ve ayrıca çeşitli çözücülerin şişme davranışı üzerindeki etkisi ve çözücü-ağ zincirleri arasındaki etkileşimler araştırılmıştır. Deneysel çalışmanın ilk kısmı, redoks başlatıcı çifti, amonyum persülfat (APS)/ N,N,N,N-tetrametiletilendiamin (TEMED) ve çapraz bağlayıcı olarak N,N'- metilenbisakrilamid (BAAm) kullanılarak mol yüzdesi 0 ile 14 arasında değişen anyonik komonomer ITA içeren anyonik kopolimer poli(akrilamid/itakonik) asit (PAAm/ITAx) hidrojellerinin sentezini kapsamaktadır. İlk kısımda esas olarak anyonik PAAm/ITAx hidrojellerinin mikroyapısı ile efektif yük yoğunluğu arasındaki ilişkinin incelenmesi amaçlanmıştır. Anyonik komonomer ITA miktarına bağlı olarak çapraz bağ yoğunluğunun ve etkin yük yoğunluğunun değişimi belirlenmiş ve etkin yük yoğunluğunun şişme derecesini belirleyen baskın faktör olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca sentezlenen kopolimer ağ yapılarının su, farklı pH değerlerine sahip çözeltiler, anyonik ve katyonik yüzey aktif maddeler içindeki değişen ITA konsantrasyonlarına göre şişme davranışları incelenmiştir. ITAnın yapısında bulunan karboksil fonksiyonel gruplarının protonlanmasına/deprotonlanmasına göre, pH duyarlı şişme özelliklerinin kontrollü şişme-büzülme davranışlarının ITA içeriği ile değişimi sistematik olarak incelenmiştir. Anyonik kopolimer hidrojellerin hem sentez sonrası hem de şişme sonrası mekanik özellikleri, kauçuk elastisite teorisi ile incelenmiştir. Denge şişme oranı, etkin yük yoğunluğu, etkin çapraz bağ yoğunluğu ve ağ zincir boyutu gibi yapısal ağ parametrelerini hesaplamak için denge şişme teorisi anyonik PAAm/ITA hidrojelleri için uygulanmıştır. Hazırlanan anyonik hidrojellerin şişmesinin, pH'ın keskin bir şekilde değiştiği koşullar altındaki değişimini belirlemek için şişme testleri yapılmıştır. Sentezlenen hidrojellerin atık suları temizlemede kullanılabilme potansiyeli, yapının anyonik olması nedeniyle katyonik model boyalar Metilen mavisi (MB) ve Metil menekşe (MV) seçilerek adsorpsiyon kapasiteleri ile incelenmiştir. Anyonik komonomer PAAm/ITAx yapısındaki ITA içeriğinin adsorpsiyon kapasitesi üzerindeki etkisi incelenmiş ve adsorpsiyon verileri dört kinetik model kullanılarak test edilmiştir. Deneysel verilere uyması için yalancı birinci mertebe, yalancı ikinci mertebe, Elovich denklemi ve parçacık içi difüzyon modelleri kullanılmıştır. Hazırlanan hidrojellerin şişme kapasiteleri çok yüksek olduğundan, farklı yüzey alanına sahip olacak şekilde toz ve silindirik olarak çalışılmış ve adsorpsiyon kapasiteleri araştırılmıştır. Kinetik çalışma, katyonik boyaların anyonik PAAm/ITA üzerinde adsorpsiyonunun, partikül içi difüzyon ile kademeli bir süreci takip ettiğini göstermiştir. Bu çalışmanın amacı, hazırlanan hidrojellerin kullanım potansiyellerinin yanı sıra, şişme ve elastikiyet sonuçlarını birleştirilerek, şişme sürecinde aktif olarak yer alan sentez sırasında kullanılan ITA fraksiyonunun belirlenmesidir. Anyonik komonomer ITA miktarına bağlı olarak çapraz bağ yoğunluğunun ve etkin yük yoğunluğunun değişimi belirlenmiştir ve etkin yük yoğunluğunun şişme derecesini belirleyen baskın faktör olduğu görülmüştür. Karboksil fonksiyonel gruplarının protonlanma ve deprotonlanma derecesine göre açık-kapalı şişme özelliklerini kontrol etmek için pH'a duyarlı şişmenin ITA içeriği ile değişimi sistematik olarak incelenmiştir. Tezin ikinci bölümünde, ilk sentez grubundan seçilen uygun oranda AAm ve ITA içeren kopolimer yapılarına değişen miktarlarda GLN eklenmiş, serbest radikal kopolimerizasyonu ile anyonik olarak modifiye edilmiş jelatin bazlı çok duyarlı yarı IPN hibrit jeller hazırlanmıştır. Bileşimin fizikokimyasal ve mekanik özellikler üzerindeki etkisini değerlendirmek için bu bölümdeki yarı-IPN hibrit hidrojeller iki farklı oranda tasarlanmıştır. Kopolimer ağında AAm/ITA yüzde mol oranı 98/2 olarak ayarlanarak zayıf anyonik yarı IPN hibrit hidrojeller ile, AAm/ITA molar oranı 95/5 olan güçlü anyonik yarı-IPN hibrit hidrojeller sentezlenerek ITA ve GLN parçaları arasındaki etkileşimin anlaşılabilmesi amaçlanmıştır. Her iki yapıda GLN etkisini gözlemleyebilmek için GLN konsantrasyonu %0 ile %0.750 (a/h) arasında değiştirilmiştir. Yarı-IPN hibrit hidrojeller, çapraz bağlayıcı olarak BAAm, redoks başlatıcı çifti olarak APS/TEMED kullanılarak çeşitli miktarlarda GLN varlığında ilk olarak AAm ve ITA'nın kopolimerleştirilmesi ve çapraz bağlanmasıyla sentezlenmiştir. GLN içeriğini değiştirmenin, dolayısıyla GLN'nin amin/karboksil fonksiyonel grup konsantrasyonlarını değiştirmenin ve anyonik komonomer ITA'nın karboksil gruplarının yarı-IPN yapıya dahil edilmesinin poli(akrilamid-ko-itakonik asit)/jelatin (PAAm/ITA-GLN) yarı-IPN yapı üzerindeki etkileri incelenmiştir. IPN yapının özellikleri, polimerizasyon reaksiyonu, monomerlerin belirli fonksiyonel gruplara sahip olması, monomer bileşim oranı, çapraz bağlanma oranı ve uyumluluk koşulları tarafından belirlenebildiğinden, GLN içeriğinin elastik özellikler ve şişme özellikleri üzerine etkisinin yanı sıra AAm/ITA mol oranının etkisi sistematik olarak araştırılmıştır. Jelatin içeriğinin şişme ve termal davranış üzerindeki etkisini belirlemek üzere deneysel çalışmanın ilk bölümünde olduğu gibi jelatin içermeyen anyonik kopolimerik hidrojeller sentezlenmiştir. GLN içermeyen kopolimer PAAm/ITA hidrojel ve GLN içeren yarı-IPN hibrit yapılar, Fourier dönüşümü kızılötesi spektroskopisi, X-ışını difraktometrisi ve termogravimetrik analiz kullanılarak karakterize edilmiştir. Anyonik hidrojellerin morfolojisi taramalı elektron mikroskobu kullanılarak karakterize edilmiştir. İlk aşamada olduğu gibi, tek eksenli sıkıştırma testleri, hem 48 saatlik sentez süresinin sonunda hem de şişme dengesine ulaştıktan sonra gerçekleştirilmiştir. Yarı-IPN hibrit yapısına eklenen GLN konsantrasyonundaki değişime bağlı olarak hem şişme profilinde hem de elastik özelliklerde karşılaştırmalar yapılmıştır. Yarı IPN hibrit ağdaki fonksiyonel gruplar (AAm'den gelen −CONH2, ITA'dan –COOH, GLN'den -OH ve −NH2) arasındaki etkileşimlerin GLN konsantrasyonuna bağlı olarak değişiklik gösterdiği gözlemlenmiştir. Termal gravimetrik analiz (TGA) sonuçları, yarı IPN hibrit hidrojellerin, kopolimer yapıdaki PAAm/ITA hidrojeline göre daha yüksek termal kararlılığa sahip olduğunu ortaya koymuştur. PAAm/ITA ağına GLN eklenmesiyle yarı-IPN hibrit hidrojellerin maksimum bozunma sıcaklıkları artmış ve daha düşük GLN konsantrasyonları ile karşılaştırıldığında yüksek GLN içeriği ile termal stabilitenin arttığı bulunmuştur. Tek eksenli sıkıştırma testlerinin sonuçları, elastik özelliklerin yanı sıra hibrit jellerin şişme kapasitesi ile GLN kompozisyonu arasında yakın bir ilişki olduğunu göstermiştir. ITA konsantrasyonuna bağlı olarak yarı-IPN hibrit yapısına GLN ilavesi, anyonik komonomer ITA'nın karboksil grupları ile GLN'nin hidroksil grupları ve primer amino grupları arasındaki etkileşim ile şişme miktarının ve elastikiyetin önemli ölçüde etkilendiği görülmüştür. Hibrit jellerin sıkıştırma elastik modülünün GLN konsantrasyonuna bağlı değişimi incelenerek, etkin çapraz bağ yoğunluğunun GLN içeriğine bağlılığı için bir korelasyon türetilmiştir. Yarı-IPN hibrit jellerinin denge şişme oranı, GLN içeriğinin bir fonksiyonu olarak deiyonize suda incelenmiştir. AAm/ITA içeriği 95/5 olan güçlü anyonik yarı-IPN hibrit hidrojeller için maksimum denge şişmesi, GLN oranının %0,225 (a/h) olduğu kompozisyonda elde edilmiştir. Şişme, artan GLN konsantrasyonu ile önce hızlı bir şekilde artmış ancak daha sonra hibrit jellerin şişme dengesinde keskin bir düşüş gözlenmiştir. AAm/ITA içeriği 98/2 olan zayıf anyonik yarı-IPN hibrit hidrojeller için ise şişme dengesinin GLN içeriğindeki artışa bağlı olarak %0,600'e (a/h) kadar keskin bir şekilde arttığı, ardından GLN miktarının artışıyla şişme oranının bir miktar azaldığı gözlemlenmiştir. Yarı-IPN hibrit jellerdeki hacim artışı ve şişme kapasitesi, GLN'deki iyonlaşabilen gruplar ile kopolimer ağ zincirlerindeki iyonlaşabilen gruplar arasındaki hidrostatik itme kuvvetine bağlı olarak değişmiştir. Yarı-IPN hibrit hidrojellere %5 mol anyonik komonomer ITA eklenerek oldukça hidrofilik ve pH'a duyarlı bir sistem elde edilmiştir. Tasarlanan yarı IPN hibrit yapısının pH duyarlılığı, hem GLN'nin yan zincirindeki karboksil grubu (-COOH) ve amino gruplarından (-NH2) hem de iki farklı pKa değerine sahip dolayısıyla iki aşamalı disosiyasyon gösteren dikarboksilik asit içeren ITA birimlerinden kaynaklanmıştır. Yarı-IPN PAAm/ITA-GLN hidrojelleri pH 4.7'ye kadar fazla şişmezken, pH'a duyarlı şişmeleri, karboksilik grupların aşamalı disosiyasyonu ile pH 4.7 ve 8.0 civarında S-şekilli eğri ile çift aşamalı bir artış göstermiştir. Tüm yarı-IPN hibrit hidrojelleri sıcaklığa duyarlı şişme davranışı sergilemiştir. Ayrıca komonomer ağ yapısına eklenen GLN miktarının da sıcaklıkduyarlı şişme oranını önemli ölçüde etkilediği sıcaklık testleri ile kanıtlanmıştır. Yarı- IPN hibrit jellerin şişme kapasitesi, Hofmeister serisinden (HS) seçilen çeşitli tuz çözeltileri, sodyum asetat (NaAc), sodyum nitrat (NaNO3) ve sodyum tiyosiyanat (NaSCN) içinde ölçülmüştür. Karşıt iyonun şişme üzerindeki etkisinin klasik HS'nin ters sırasını takip ettiği saptanmıştır. Ayrıca, yarı-IPN hibrit jellerinin, GLN içermeyen kopolimer jellere kıyasla şişme-büzülme özelliklerini iyileştirdiği bulunmuştur. Farklı konsantrasyonlara sahip NaNO3 çözeltisinde gerçekleştirilen kinetik deneyleri sonucu elde edilen şişme kinetiği profili, yarı-IPN hibrit ağ yapının Fickian difüzyon davranışı sergilediğini ve Schott'un sözde ikinci dereceden modeli ile şişme kinetiğinin açıklanabileceği gösterilmiştir. Sentezlenen hibrit yapının çeşitli çözücülerde şişme eğilimi; n-pentan, n-hekzan, THF, asetonitril, kloroform, aseton, etilasetat, dimetil formamid, metanol, siklohekzanol, 1,4-dioksan, DMSO, etanol, 2-propanol ve toluen gibi farklı çözletiler kullanılarak değerlendirilmiştir. Yarı-IPN hibrit hidrojellerin, n- heksanda en yüksek şişme oranına, siklohekzanolde ise en düşük şişme oranına sahip olduğu saptanmıştır. Hofmeister tuzlarında gerçekleştirilen tuza duyarlı şişme testleri, yarı-IPN'lerin NaAc çözeltisinde daha fazla şişme eğilimindeyken, NaNO3 ve NaSCN çözeltilerinde daha az şişme eğiliminde olduğunu ortaya koymuştur. Yarı-IPN hibrit hidrojellerin sulu çözeltilerden katyonik boyalar MB ve MG'yi adsorbe etme kabiliyeti, GLN içeriğine bağlı olarak incelenmiş ve GLN bazlı yarı-IPN hibrit jellerin, atık sulardan katyonik boyaların ayrıştırılması için etkili adsorban adayları olduğu bulunmuştur. Bu tezde kullanılan yöntemle, atık sudan boya giderimi için kimyasal çapraz bağlı protein bazlı yarı IPN hibrit hidrojellerin tasarımına yönelik basit ve etkili bir yaklaşım sunulmuş ve termodinamik olarak ağ parametreleri hesaplanmıştır.

Özet (Çeviri)

Owing to the growing environmental interest, the use of renewable vinyl compounds, multifunctional organic acids and natural raw materials has led to the development of different methods in innovative material design. Plant extracts and biopolymers have the potential to develop advanced functional materials providing an adequate balance between mechanical strength, adequate swelling ability and biodegradability. In particular, the improvements in environmental performance can be exploited with sustainable polymers, biomass from plants and biopolymers derived from renewable raw materials such as vegetable oils, starch, gelatin, cellulose or chitin. In new methodologies developed for agrochemical applications to improve ecosystem quality, the structures containing the anionic monomer itaconic acid (ITA) have found use in the removal of physical, chemical and biological pesticides. From collagen-derived natural polymers, gelatin (GLN) is an important hydrocolloidal polypeptide for biomedical applications because it has a number of attractive advantages such as renewable character, low cost, excellent biocompatibility/biodegradability, cell adhesive structure and various functional groups for labeling and/or targeting groups and chemical modifications. The research carried out in this thesis is centered around the design of advanced functional materials based on biopolymer and carbohydrate-derived aliphatic dicarboxylic acid. Two synthesis groups were designed for the preparation of anionically modified gelatin containing Semi-IPN hybrid materials. In the first part of the experimental study, the aim was to conduct the preparation of a series of anionic copolymer hydrogels consisting non-ionic mononmer acrylamide (AAm), and anionic comomer itaconic acid (ITA) ranged between 0 and 14 mol% in the feed at a fixed crosslinker ratio. The second goal of the study was to design semi-IPN hybrid hydrogels by selecting the most appropriate anionic copolymer structure from the first synthesis group and convert it into a semi-IPN structure using various amount of Gelatin (GLN). Semi-IPN gels based on poly(acrylamide-co-itaconic acid) and a natural polymer GLN were prepared through one-step in-situ simultaneous crosslinking copolymerization. The effects of the GLN content, the incorporation of carboxyl groups of anionic comonomer ITA and amine/carboxyl functional groups of GLN on the semi-IPN hydrogel properties were investigated by varying the AAm/ITA mol ratio. The effects of changes in various physical conditions such as pH, time, GLN content and salt solutions on the physicochemical properties of gelatin-containing semi-IPNs were investigated. The solvent effect on the swelling behavior and the extent of interactions between the solvent and network chains was evaluated. The first part of the experimental work covered the synthesis of anionic copolymer poly(acrylamide/itaconic acid) (PAAm/ITAx) hydrogels containing varying amounts of the anionic comonomer ITA, ranging from 0 to 14 mol% using redox initiator pair, ammonium persulphate (APS)/N,N,N,N-tetramethylethylenediamine (TEMED) and N,N'-methylenebisacrylamide (BAAm) as a crosslinking agent. It was mainly aimed to establish a relationship between microstructure and effective charge density of anionic PAAm/ITAx hydrogels. The effective charge density turned out to be the dominant factor determining the extent of swelling. The swelling behavior of these hydrogels in water, solutions with different pH values, anionic and cationic surfactants were investigated according to the varying ITA content. A systematic discussion has been made for the variation of pH-sensitive swelling with ITA content to modulate the on-off swelling properties according to the degree of protonation/depronation of the carboxyl moieties. The mechanical properties of anionic copolymer hydrogels, both after synthesis and after swelling, were investigated with Rubber elasticity theory. Considering the equilibrium swelling theory as a simple and reliable tool for calculating the structural network parameters, this methodology has been applied for anionic PAAm/ITA hydrogels. Cationic dye removing capacities of the prepared hydrogels were determined for adsorption of Methylene blue (MB) and Methyl violet (MV) selected as model dyes. The effect of ITA content in the anionic comonomer PAAm/ITAx structure on the adsorption capacity was studied and the adsorption data were tested using the four kinetics models. Kinetic study showed that the adsorption of cationic dyes on anionic PAAm/ITA follows a gradual process with intra-particle diffusion. Besides the application of the prepared hydrogels, the objective of this work was to determine the fraction of ITA used during the synthesis, which is actively involved in the swelling process, by combining the swelling and elasticity results. Depending on the amount of anionic comonomer ITA, the change of crosslink density and effective charge density was determined. The effective charge density turned out to be the dominant factor determining the extent of swelling. In the second part of the thesis, anionically modified gelatin-based multi-responsive semi-IPN hybrid gels were prepared by free radical copolymerization of AAm and ITA in varying amounts of GLN. In order to evaluate the effect of the composition on the physicochemical and mechanical properties, the semi-IPN hybrid hydrogels in this section were designed in two different ways. While weak anionic semi-IPN hybrid hydrogels were prepared by setting AAm/ITA molar ratio as 98/2 in the copolymer network, strong anionic semi-IPN hybrid hydrogels with AAm/ITA molar ratio of 95/5 were prepared to understand the extent of interaction between ITA and GLN parts. In order to observe the GLN effect in both structures, the GLN concentration was changed between 0% and 0.750% (w/v). Semi-IPN hybrid hydrogels were prepared in-situ by first copolymerizing and crosslinking AAm and ITA in the presence of various amounts of GLN using redox initiator pair, APS/TEMED, and BAAm as a crosslinking agent. The effects of changing the GLN content, thus changing the amine/carboxyl functional groups of GLN and incorporating the carboxyl groups of the anionic comonomer ITA into the semi-IPN structure on the swelling behavior, elasticity and physical properties of poly(acrylamide-co-itaconic acid)/gelatin (PAAm/ITA-GLN) hydrogels were investigated. To investigate the effect of gelatin content on the swelling and thermal behavior, gelatin-free anionic copolymeric hydrogels were also prepared as in the first part of the experimental study. Blank copolymer PAAm/ITA hydrogel and its hybrid with GLN were characterized using Fourier transform infrared spectroscopy, X-ray diffractometry, and thermogravimetric analysis. The morphologies of the anionic gel networks were characterized using Scanning electron microscope. The uniaxial compression tests were performed after preparation of hydrogels and after their equilibrium swelling in water. Comparable differences in the swelling properties and elasticity were observed as a result of variation in GLN concentration in the semi-IPN hybrid structure. The composition effect results from the interactions between the functional groups in semi-IPN hybrid network; −CONH2 of AAm, –COOH of ITA, -OH and −NH2 of GLN. The thermal gravimetric analysis (TGA) revealed that the semi-IPN hybrid hydrogels have a higher thermal stability than the conventional copolymer PAAm/ITA hydrogel. Maximum degradation temperatures of semi-IPN hybrid hyfrogels increased with addition of GLN to PAAm/ITA network, and thermal stability was increased with high GLN content compared to other compositions. The uniaxial compression testing indicated that there is a close relationship between the GLN content and the resulting elastic properties as well as the swelling of hybrid gels. Addition of GLN to the semi-IPN hybrid structure in desired ITA content significantly affected the swelling degree and elasticity depending on the extent of interaction between the carboxyl groups of anionic comonomer ITA, hydroxyl groups and the primary amino groups of GLN. The equilibrium swelling of semi-IPN hybrid gels was studied in deionized water as a function of the GLN content. For strongly anionic semi-IPN hybrid hydrogels with AAm/ITA content 95/5, the maximum equilibrium swelling was obtained at 0.225% (w/v) of GLN. The swelling first increased rapidly with increasing GLN concentration, but then a rapid decrease in the swelling of the hybrid gels was observed. For weakly anionic semi-IPN hybrid hydrogels with AAm/ITA content 98/2, the equilibrium swelling increased sharply with an increase in the content of GLN until 0.600% (w/v), then the swelling ratio slightly decreases with further increase in GLN. A highly hydrophilic and pH-responsive system was obtained by adding 5% mol of anionic comonomer ITA to the semi-IPN hybrid hydrogels. The pH sensitivity of the designed semi-IPN hybrid structure is due to both the carboxyl group COOH and NH2 amino groups in the side chain of GLN, as well as the dicarboxylic acid-containing ITA units that show two dissociation stages. While semi-IPN PAAm/ITA-GLN hydrogels did not swell much up to pH 4.87, their pH-sensitive swelling showed a double-step increase with the S-shaped curve around pH 4.7 and 8.0 with progressive ionization of carboxylic groups. All semi-IPN hybrid hydrogels displayed temperature-sensitive swelling behavior as well as the amount of GLN added to the hybrid structure significantly affected the swelling ratio. The swelling kinetics in NaNO3 solutions proceeds by Fickian diffusion and Schott's pseudo-second order model can be effectively used to evaluate swelling kinetics. Swelling tendency in various solvents; n-pentane, n-hexane, THF, acetonitrile, chloroform, acetone, ethylacetate, dimethyl formamide, methanol, cyclohexanol, 1,4-dioxane, DMSO, ethanol, 2-propanol, and toluene showed that semi-IPN hybrid hydrogels have the highest swelling in n-hexane and the lowest in cyclohexanol. Salt-sensitive swelling in Hofmeister salts revealed that semi-IPNs tended to swell more in NaAc solution, whereas they tended to swell less in NaNO3 and NaSCN solutions. The ability of semi-IPN hybrid hydrogels to adsorb cationic dyes MB and MG from aqueous solutions was investigated as a function of GLN content and it was found that GLN-based semi-IPN hybrid gels could be a good adsorbent for the removal of cationic dyes from the contaminated waters. With the method used in this thesis, a simple and effective approach to the design of chemically cross-linked protein-based semi-IPN hybrid hydrogels for dye removal from wastewater was presented, and thermodynamically network parameters were calculated.

Benzer Tezler

Tez No
894782
Yapay kas uygulamaları için nanokompozit malzeme geliştirilmesi
Development of nanocomposite material for artificial muscle applications
AYŞE KÜBRA AYDINALEV
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Biyomühendislik İstanbul Teknik Üniversitesi
Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELEK MÜMİNE EROL TAYGUN
Tez No
868607
Rational design and applications of advanced functional polymer gels
İleri fonksiyonel polimer jellerin rasyonel tasarımı ve uygulamaları
MERTCAN ER
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Kimya İstanbul Teknik Üniversitesi
Kimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NERMİN ORAKDÖĞEN
Tez No
884188
Biomedical application of an enzymatically synthesized biopolyester
Enzimatik olarak sentezlenmiş bir biyopoliesterin biyomedikal uygulaması
ŞENOL BEYAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Biyoteknoloji İstanbul Teknik Üniversitesi
Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATOŞ YÜKSEL GÜVENİLİR
Tez No
783286
Doku mühendisliği yaklaşımları ile nazal rekonstrüksiyonda kullanılmak üzere biyopolimerik doku iskelelerinin geliştirilmesi
Development of biopolymeric tissue scaffolds for nasal reconstruction with tissue engineering approaches
DİLEK ARSLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Biyomühendislik Bahçeşehir Üniversitesi
Doku Mühendisliği Anabilim Dalı
PROF. DR. EMİR BAKİ DENKBAŞ
Tez No
574368
Aktif çamur sistemlerinde farklı işletme koşullarının biyopolimer üretimine etkisi
The effect of different operating conditions onbiopolymer production in activated sludge systems
BENGİSU ÇİFTÇİOĞLU GÖZÜAÇIK
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Çevre Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İLKE PALA ÖZKÖK

Geri Dön