AMPS-based H-bonded superabsorbent hydrogels
AMPS-tabanlı H-bağlı superabsorban hidrojeller
- Tez No: 807005
- Danışmanlar: PROF. DR. OĞUZ OKAY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 97
Özet
Su, canlı dokularda ve organizmalarda en bol bulunan moleküldür. Çözünür iyonların ve suyun varlığı, sistemlerin doğasına düzenleme, koruma ve iletkenlik gibi özellikler sağlamaktadır. Vücudun farklı bölümleri, bulundukları yere ve işlevlerine göre değişen miktarlarda su içermektedir. Kemikler ve dişler vücuttaki en düşük su yüzdesini içerirken, beyin ve böbrekler en yüksek yüzdeye sahiptir. Polimerik ağ yapılar sayesinde biyolojik dokuların mekanik davranışlarını taklit eden malzemelerin eldesi artık mümkündür. Hedeflenen alana göre ayarlanabilen; yüksek su içeriği, yumuşaklık ve insan doku ve organlarına benzeyen esneklik gibi özelliklerin yanında biyouyumluluk hidrojelleri ilgi çekici hale getirmiştir ancak zayıf mekanik özellikler hidrojellerin pratik uygulamasını kısıtlamaktadır. Bu sorunu çözmek adına çift ağ yapılara sahip hidrojeller, makromoleküler mikroküreler içeren kompozit hidrojeller, nanokompozit hidrojeller ve fiziksel çapraz bağlı hidrojeller dahil olmak üzere farklı hidrojel ağ yapıları oluşturulmuştur. Hidrojel ağ yapısında bulunan fiziksel çapraz bağlar yapıya enerji dağıtım mekanizması sağlar, stres altında kırılmayı önler; böylece özellikle güçlü, dinamik hidrojeller elde edilebilir. Bu çalışmanın amacı yapısal bütünlüklerini koruyarak yüksek miktarda su absorplayan ve yüksek sertlik, tokluk gibi mekanik özelliklere sahip fiziksel çapraz bağlı hidrojeller elde etmektir. Günümüzde birçok çalışma, hidrojellerin hazırlanması için biyolojik dokuların mekanik özelliklerinden ve yüksek su içeriğinden ilham almıştır. Makromoleküller, kovalent olmayan etkileşimler yoluyla doğal olarak birbirleriyle etkileşime girdiğinden, biyolojik sistemlerde supramoleküler birleşmeler sıklıkla bulunmaktadır. 2-akrilamido-2-metil-1-propansülfonik asit (AMPS) bazlı hidrojeller, suda şiştiklerinde elektro-duyarlılık ve muazzam pH'dan bağımsız su emme kapasitesine sahiptir. Üretimleri sırasında kovalent çapraz bağlayıcıların sıklıkla kullanılması nedeniyle ağ yapıları enerjiyi etkin bir şekilde dağıtamaz ve zayıf mekanik özelliklere sahip poli(AMPS) (PAMPS) hidrojeller elde edilir. Yüksek mekanik dayanıma sahip, fiziksel çapraz bağlı, dinamik yapıda, enerji dağıtımı yapabilen PAMPS ağ yapısı elde edilmesi; kimyasal çapraz bağları, kooperatif hidrojen bağları ile değiştirmekle mümkündür. Suda kararlı olan güçlü fiziksel hidrojellerin oluşturulması için polimer zincirleri arasında çoklu H-bağ etkileşimleri gereklidir. Bu nedenle, kooperatif H-bağları oluşturacak monomerler seçilirken dikkatli olunmalıdır. Bu çalışmada komonomer etkisini araştırmak için N,N-dimetilakrilamid (DMAA), metakrilik asit (MAAc), akrilik asit (AAc) ile ön deneyler yapılmıştır. AMPS/DMAA ve AMPS/MAAc kopolimer hidrojelleri iyi mekanik özelliklere sahip olduğundan ve DMAA'nın karbonil grubu ile MAAc'nin karboksil grubunun kopolimer zincirleri arasında çoklu H-bağları oluşturduğu bilindiğinden, AMPS/MAAc/DMAA terpolimer hidrojelleri herhangi bir kimyasal çapraz bağlayıcı kullanılmadan hazırlanmıştır. Çeşitli MAAc mol kesirlerinde hidrojeller hazırlanılarak, komonomer konsantrasyonunun etkisi araştırılmıştır. Bu numunelere uygulanan çekme testlerinin sonucunda terpolimerin, 4:1 MAAc/DMAA mol kesrinde (xMAAc= 0.8) en iyi mekanik özelliklere sahip olduğu tespit edilmiştir. Ardından, seyreltilmiş hidrojel sistemindeki değişiklikleri incelemek için sabit xMAAc= 0.8'de su miktarı (w) ağırlıkça % 25 ve % 95 arasında değiştirilmiştir. Görsel gözlem, ağırlıkça w ≤ % 40'ta saydam hidrojellerin oluştuğunu, ağırlıkça %50'de yarı saydam hale geldiklerini ve son olarak ağırlıkça %75'te opak görünüme sahip olduklarını ortaya çıkardı. Su miktarında (w) daha fazla artış ağırlıkça w ≥ % 93'te, viskoz bir çözelti ve opak jelden oluşan faz ayrımlı bir sistemle sonuçlandı. Değişen su içeriklerine sahip hidrojellerin dış görüntüsünde gözle görülür farkların olması, jelleşme sırasında oluşan ağ yapının da farklı olduğuna işaret etmektedir. Su içeriğinin ağırlıkça %25'ten %75'e çıkarılmasıyla hem modül E hem de kırılma gerilimi f sırasıyla 26±2 MPa'dan 7±1 kPa'ya ve 10,4±0,7 MPa'dan 15±1 kPa'ya olacak şekilde azalır. Tüm hidrojeller suda kararlı kalmalarına rağmen, H-bağlı fiziksel yapılarından dolayı üre çözeltilerinde 2 hafta içinde kolaylıkla çözünürler. Suyla diyaliz edilerek ürenin uzaklaştırılması sonrası ağırlıkça %4 PEG-10000 çözeltisine karşı diyaliz edilip, liyofilizatörle kurutularak izole edilen terpolimerlerin ağırlıkça %1'lik sulu çözeltisiyle reolojik testler yapılmıştır. Elde edilen hidrojel çözeltileriyle kayma hızına karşı viskozite ölçümleri ve frekans taramaları yapılmıştır. Çözeltilerinin viskozite ölçümü jelleşmede daha yüksek monomer konsantrasyonunda daha uzun birincil zincirlerin oluşumunu göstermiştir. Yani, w ne kadar düşükse, çözelti viskozitesi o kadar yüksek olmaktadır. Yapılan frekans taramalarındaysa yarı seyreltik polimer çözeltilerinde gözlemlenebilen, çakışma noktaları (G' = G'') incelenmiştir. G'', düşük frekanslarda G' aşarken, artan frekansla G' ve G'' arasında çakışma noktası gözlemlenmektedir. Yani frekans yükseldikçe hidrojeller sıvı benzeri davranıştan katı benzeri davranışa geçmektedir. w ağırlıkça %75'ten %25'e düşerken geçiş frekansı c 26'dan 15 s-1'e düşer. Dolayısıyla bu sonuçlar saydam jellerin opak jellere göre daha uzun zincirli ve daha çok moleküller arası hidrojen bağı içerdiğine işaret etmektedir. Artan su içeriği ile önce opaklığın ve nihayet faz ayrımının ortaya çıkması, MAAc ve DMAA birimleri arasında güçlü H-bağlı komplekslerin hidrojeldeki tüm suyu tutamamasıyla açıklanabilmektedir. Yüksek oranda H-bağı içeren ve dolayısıyla fiziksel olarak yüksek oranda çapraz bağlı bölgelerin su emme kapasitesi, gevşek çapraz bağlı bölgelere göre daha düşük olacağından, jel fazının çözelti fazından ayrılması söz konusudur. Bu davranış, w = % 95 'te oluşan hidrojel için açıkça gözlenmiş ve her iki fazın da kompozisyonunu açığa çıkarmak için liyofilizatörde kurutulan örneklere FTIR analizi yapılmıştır. FTIR spektrumunun amid I bölgesinde (dalga boyu) yapılan analiz, çözelti (sol) fazının AMPS birimlerince zengin olduğunu, MAAc birimlerinin ise jel fazında yoğun olduğunu ortaya koymaktadır. Ağırlıkça w = % 93 ve % 95'te oluşan hidrojellerinin her iki fazına da karbon, azot ve kükürt (C, N ve S) için elementel analiz yapılmıştır. Ayrıntılı çalışmalar, MAAc ve DMAA üniteleri arasında, yüksek oranda H-bağlı bölgelerin faz ayrımına yol açan kooperatif H-bağlarının oluşumunu ortaya çıkarmıştır. Sentezlenen hidrojellerin ağ yapıları reolojik testler, FTIR ve elementel analizler ile karakterize edilmiştir. Şişme testleri AMPS bazlı kopolimer ve terpolimer hidrojellerin süper emicilik özelliğinin, yapıya komonomerlerin eklenmesinden etkilenmediğini göstermiştir. Farklı xMAAc değerlerinde sentezlenen hidrojellerin kuvvetli polielektrolit olan AMPS birimleri sayesinde sentez sonrası durumlarına göre 1700 - 2900 kat şiştikleri görülmüştür. Jel kesirleri de (Wg) 0.64 - 0.94 aralığındadır ve jellerin 2 ay boyunca bol su içerisinde çözünmeden formlarını koruyabildikleri gözlemlenmiştir. Kısacası, AMPS hidrojel ağ yapısına MAAc ve DMAA komonomerlerinin eklenmesiyle daha iyi mekanik mukavemet ve yüksek su emme kapasitesi elde edilmiştir.
Özet (Çeviri)
Water is the most abundant molecule in living tissues, and organisms. The presence of soluble ions and water provides regulation, protection, and conductivity to the nature of the systems. Different bodily parts store varying amounts of water according to their place and duty. The bones and teeth contain the lowest percentage of water in the body, whereas the brain and kidneys have the highest percentage. Materials that resemble the mechanical properties and behavior of biological tissues are now possible thanks to new polymeric networks. The distinctive qualities of hydrogels, like their high water content, softness, and flexibility that can mimic those of human tissues and organs, as well as biocompatibility have made them particularly desirable. These properties can be tailored according to the purposed area however poor mechanical properties restrict the efficient application of the hydrogels. Many hydrogel network structures, such as double network hydrogels, macromolecular microsphere composite hydrogels, physically cross-linked networks, and nanocomposite hydrogels, have been produced to address this issue. The objective of this study is to prepare hydrogels that could absorb a high amount of water without compromising their structural integrity and exhibit desirable mechanical characteristics (such as high stiffness, and toughness). Particularly strong, dynamic hydrogels can be obtained by using physical crosslinks in the hydrogel network structure which give an energy dissipation mechanism to avoid fracture and gain reversibility under stress. Today many studies are inspired by the mechanical features and high water content of biological tissues for the preparation of hydrogels. Because macromolecules naturally interact with one another through noncovalent interactions, supramolecular assemblies are frequently found in biological systems. The hydrogels based on 2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid (AMPS) have enormous and pH-independent water absorption capacity and electro-sensitive characteristics when swollen in water. Because they are frequently produced using chemical cross-linkers, their network structures cannot effectively dissipate energy and poly(AMPS) (PAMPS) hydrogels with poor mechanical properties are obtained. A physically crosslinked dynamic PAMPS network dissipating energy under stress can be made by replacing chemical crosslinks with cooperative H-bonds to improve mechanical properties. Multiple H-bonding interactions are necessary for the creation of strong physical hydrogels that are stable in water. Therefore, careful consideration must be given while choosing monomers that will form cooperative H-bonds. Preliminary experiments were conducted with N,N-dimethylacrylamide (DMAA), methacrylic acid (MAAc), and acrylic acid (AAc) to investigate comonomer effect. Because AMPS/DMAA and AMPS/MAAc copolymer hydrogels have good mechanical properties and the carbonyl of DMAA and the carboxyl group of MAAc are known to produce multiple H-bonds connecting primary polymer chains, AMPS/MAAc/DMAA terpolymer hydrogels were prepared without using any chemical cross-linker. Effect of terpolymer composition was investigated by preparing hydrogels at various MAAc/DMAA molar ratio at a constant water content (w) of 25 wt%. The terpolymer hydrogels exhibited the best mechanical properties at a MAAc/DMAA molar ratio of 4:1 (xMAAc = 0.8). Then, by fixing the MAAc/DMAA molar ratio at 4:1, we increased the water content (w) from 25 to 95 wt% to observe the effect of water amount at gelation on the hydrogel properties. Visual inspection showed that the transparent terpolymer hydrogels formed at a water content lower than 40 wt% become translucent at 50 wt%, and finally opaque at 75 wt%. A phase-separated system formed of a viscous solution and an opaque gel was obtained by further increasing the water content w to 93 wt%. Both fracture stress f and the modulus E three orders of magnitude decrease (from 26±2 MPa to 7±1 kPa, and 10.4±0.7 MPa to 15±1 kPa, respectively) with increasing w from 25 to 75 wt%. Detailed studies revealed the formation of cooperative H-bonds that link MAAc and DMAA segments leading to a phase separation of the highly H-bonded regions. Their network structure is characterized by rheological tests, FTIR, and elemental analyzes. Furthermore, swelling tests also showed that the superabsorbent behavior of AMPS-based terpolymer hydrogels was improved by the addition of comonomers to the structure. In short, better mechanical strength and high water absorption were obtained by the addition of comonomers MAAc and DMAA to the AMPS hydrogel network structure.
Benzer Tezler
- Development of supramolecular hydrogels with adjustable viscoelastic, mechanical and self-recovering properties
Ayarlanabilir viskoelastik, mekanik ve kendi-kendini onarma özelliklerine sahip supramoleküler hidrojellerin geliştirilmesi
ESRA SU
- Poly(vinylidene fluoride) based copolymers
Poli(viniliden florür) kökenli koplimerler
NERGİZ BOZOK
Yüksek Lisans
İngilizce
2008
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METİN H. ACAR
- CMOS OTA tabanlı endüktans, direnç benzetimi devreleri ve uygulamaları
CMOS OTA based inductance, resistance simulator circuits and applications
CANKURT KUL
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HULUSİ HAKAN KUNTMAN
- Kemosensör florofor katkılanmış hidrojellerin optik özelliklerinin ve akrilamid bazlı hidrojellerin hazırlanmasında kosolvent etkisinin incelenmesi
Investigation of optical properties of chemosensors fluorophore doped hydrogels and cosolvent effect in the preparation of acrylamide-based hydrogels
ŞEYMA CEYLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
KimyaEskişehir Osmangazi ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VURAL BÜTÜN
- Alternatif yöntemler kullanılarak proton değişim membran yakıt hücreleri için yeni membranların geliştirilmesi
Development of new membranes for proton exchange membrane fuel cells by alternative methods
YILSER DEVRİM