Synthesis and characterization of ionic guar gum derivatives
İyonik guar zamkı türevlerinin sentezi ve karakterizasyonu
- Tez No: 854283
- Danışmanlar: DOÇ. DR. CÜNEYT HÜSEYİN ÜNLÜ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Chemistry, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 78
Özet
Polisakkaritler, büyük bir yapısal çeşitliliğe sahip olan benzersiz biyopolimerlerdir. Birçok organizma, bitkiler, hayvanlar, mantarlar, algler ve mikroorganizmalar dahil olmak üzere, depo polimerleri ve yapı oluşturan makromoleküller olarak, yapı oluşturma yetenekleri nedeniyle biyosentez yoluyla büyük miktarlarda polisakkarit oluşturur. Polisakkaritler, değişken tipteki supramoleküler etkileşimlerle yapı oluşturma yetenekleri sayesinde olağanüstüdür. Ayrıca, polisakkaritler, örneğin aktivite ve seçicilik açısından biyotransformasyon süreçlerinde önemli maddeler olarak giderek daha fazla tanınmaktadır. Doğal olarak meydana gelen polisakkaritler zaten olağanüstü olsa da kimyasal modifikasyon verilen özellikleri iyileştirebilir ve hatta gelişmiş malzemeleri özel olarak tasarlamak için kullanılabilir. Polisakkaritler, gıda ve diğer endüstrilerde stabilizatör, kalınlaştırıcı ve jelleştirici, kristal oluşmasının engelleyen inhibitör amaçları ile kullanılmaktadır. Selüloz gibi polisakkaritler, ksilan ve kitosan doğada yapısal malzeme olarak karşımıza çıkmaktadır. Bitkilerin hücre duvarlarını, kabukluların ve böceklerin kabuklarını oluşturur. Diğer glikojen, amiloz ve amilopektin gibi polisakkaritler çok hayvanlarda ve bitkilerde şeker depolamak için önemlidir (Seidi ve arkadaşları, 2018). Zamklar da polisakkaritler altında yer almaktadır. Guar zamkı, kaju zamkı, ksantan zamkı, arap zamkı ve kitin zamklara örnek verilebilir. Guar zamkı, baklagiller ailesiden Cyamopsis tetragonolobus veya Cyamopsis psoraloides bitkisinin toprak endospermi ile elde edilen doğada bulunan bir galaktomannandır. Guar zamkının yapısında çok sayıda hidroksil grubunun bulunması hidrojen bağı oluşturma yeteneğinden dolayı sulu çözeltide viskoziteyi ve jelleşme özelliklerini arttırır. Bu özelliklere dayalı olarak guar zamkı; tekstil, gıda, petrokimya, madencilik ve kağıt gibi çeşitli endüstrilerde özellikle viskozite ayarlama amacıyla kullanılır. Son yıllarda yeşil çözüm arayışlarının artması ile birlikte, zamkların çeşitli şekillerde modifikasyonuna yönelik çalışmalar devam etmektedir. Guar zamkının diğer maddelerle kullanılması, sadece özelliklerini arttırmakla kalmaz, aynı zamanda su arıtma, ilaç dağıtımı, ilaç, kozmetik ve gıda endüstrileri gibi çeşitli alanlarda farklı uygulamalar için kullanımını zenginleştirir. Bu çalışmada guar zamkı sudaki çözünürlüğünün yüksek olması, kıvamlaştırma özelliği ve endüstride stabilizasyon ajanı olarak sıklıkla kullanılmasından dolayı tercih edilmiştir. Çalışmanın amacı guar zamkının modifikasyonu ile katyonik ve anyonik türevlerini elde etmek ve bu türevlerin reolojik özelliklerini incelemektir. Guar zamkının katyonik modifikasyonu için bu amaçla sıklıkla kullanılan 3Klor-2hidroksipropiltrimetilamonyum klorür (CHPTAC) eterleştirme ajanı kullanılmıştır. Farklı guar zamkı/CHPTAC oranları kullanılarak sulu ortamda reaksiyonlar yapılmıştır. Genel olarak önce 2 gr guar zamkı 100 mL suda tamamen çözülmüştür. GG tamamen çözüldükten sonra her bir karışıma 10 mL %50'lik NaOH sulu çözeltisi eklenmiştir. Daha sonra CHPTAC yavaş bir şekilde damlatma hunisi kullanılarak reaksiyon ortamına eklenmiştir. Ekleme sonunda sıcaklık 50°C'e getirilip reaksiyon bu sıcaklıkta 24 saat bazik ortamda gerçekleşmiştir. Reaksiyon sonunda elde edilen ürün 3 hacim etanol ile çöktürülüp vakum yardımıyla süzülmüştür. Ortamdaki suyu uzaklaştırmak için ise dondurarak kurutma sistemi tercih edilmiştir. 7.5 mL CHPTAC içeren modifikasyon AK-6, 30 mL CHPTAC içeren modifikasyon ise AK-9 olarak kodlanmıştır. Guar zamkının anyonik modifikasyonu da karboksimetilasyon reaksiyonu kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Farklı oranlarda monokloro asetik asit (MCA) ve guar zamkı kullanılmıştır. 2 gr GG 100 mL suda çözülmüştür. Reaksiyon sıcaklığı 50°C'ye ayarlandıktan sonra reaksiyona 15 mL %10 NaOH damlatma hunisi yardımı ile verilmiştir. 15 mL deionize su içerisinde farklı oranlarda MCA çözülmüştür. Hazırlanan MCA sulu çözeltileri damlatma hunisi yardımıyla 1 mL/min olacak şekilde sisteme yavaşça eklenmiştir. MCA sulu çözeltisi eklendikten sonra reaksiyon 50°C'de 4 saatte gerçekleşmiştir. Reaksiyon süresi sonrasında sentezlenen ürünü toplamak amacıyla 2 hacim etanol ile elde edilen ürün çöktürülmüştür. Çöktürülen ürün vakum yardımıyla süzüldükten sonra dondurarak kurutma işlemi yardımıyla ortamdaki su uzaklaştırılmıştır. %26.69 MCA içeren modifikasyon AK-A1, %53.36 MCA içeren modifikasyon ise AK-A2 olarak kodlanmıştır. Yapılan reaksiyonlardan elde edilen modifiye ürünlerin spektral özelliklerini belirlemek için ilk olarak FTIR analizleri yapılmıştır. GG'ın FTIR analizlerindeki karakteriksel pikleri sırasıyla 3300, 2900 ve 1640 cm-1'da yer almaktadır. 1640 cm-1 pikindeki değişim N+(CH3)3 iyonlarının GG'ın yapısına katıldığını kanıtlar niteliktedir. Anyonik modifikasyonda ise sırasıyla 1600, 1391 ve 1253 cm-1 dalga sayılarından bulunan bantlar, eklenen -COOgrubunun asimetrik ve simetrik gerilme titreşimine aittir. Bu piklerin varlığı anyonik modifikasyonun başarılı bir şekilde yapıldığını kanıtlar niteliktedir. 1H NMR analizleri, guar zamkının modifikasyonlarındaki değişiklikleri anlamak amacıyla yapılmıştır. 1H NMR sonuçlarında karakteristik sinyaller gözlemlenmiştir. Katyonik modifikasyonlar sonucunda elde edilen ürünlerin 1H NMR sonuçlarında 3.08 ve 4.30 ppmde yer alan pikler katyonik modifikasyonların başarılı bir şekilde gerçekleştirildiğini göstermektedir. Anyonik modifikasyonlarda ise 3.79, 3.90 ve 4.22 ppmde yer alan pikler karboksimetilasyon reaksiyonunun başarılı bir şekilde gerçekleştiğini göstermektedir. Yapılan modifikasyonlar sonucunda modifiye edilmiş ve edilmemiş guar zamkının termal özelliklerinin nasıl değişime uğradığını anlamak amacıyla TGA analizlerine bakılmıştır. TGA analizlerinde 25-600°C ve 20 °C/min ısıtma hızı kullanılmıştır. Modifikasyonlar sonucunda eklenen amin (CHPTAC) ve asit (MCA) gruplarının termal özellikleri GG üzerinde yer alan gruplara göre daha düşüktür. Bu sebeple TGA ölçümlerinde modifikasyon sonucu elde edilen ürünlerin daha düşük sıcaklıklarda bozunmaya başlaması beklenmektedir. TGA sonuçlarına göre anyonik modifiye ürünlerin (AK-A1 ve AK-A2) ve katyonik modifiye ürünlerin (AK-6 ve AK-9) termal stabilitesi, guar zamkına kıyasla beklenildiği gibi azalmıştır. Bu da eklenen grupların başarılı bir şekilde gerçekleştiğini göstermektedir. Elde edilen modifiye ürünlerin ve saf guar zamkının sudaki reolojik davranışlarını incelemek adına viskozite–kesme hızı grafiği çizilmiştir. Artan kesme hızına karşılık o değerdeki viskozite değeri ölçülerek ürünlerin akış özellikleri belirlenmiştir. Reolojik ölçümler reometre cihazı ile yapılmıştır. Reolojik özelliklerin incelenmesi için her bir modifikasyon sonucu elde edilen ürünler (AK-6, AK-9, AK-A1 ve AKA2) ve guar zamkının kendisi, aynı oranda saf su ile karıştırılıp çözelti halinde hazırlanmışlardır. Suda hazırlanan AK-6, AK-9, AK-A1 ve AK-A2'nin reolojik özellikleri artan kesme hızı altında incelenmiştir. Kesme hızı 0,1 1/s'den logaritmik olarak artmaya başlayıp 100 1/s'de son bulmuştur. Bu kesme hızlarındaki her bir viskozite değeri kaydedilip grafik halinde verilmiştir. Ölçümlerde silindirik ölçüm başlığı kullanılmıştır. Yapılan ölçümler sonucunda katyonik modifiye ürünlerin (AK-6 ve AK-9) sulu çözeltilerinin artan kesme kuvveti altında Newtonian akış özelliği gösterdiği görülmüştür. AK-6 ve AK-9'un sulu çözeltilerinin başlangıç viskozite değerleri, saf guar zamkından düşüktür. Saf guar zamkının üzerinde bulunan OH grupları, CHPTAC tarafından değiştirildiği için AK-6 ve AK-9'un H bağı yapma kapasitelerinde azalma meydana gelmiştir. Bu sebeple AK-6 ve AK-9, Newtonian akış özelliği göstermiştir. Anyonik modifikasyon sonucunda elde edilen ürünler (AK-A1 ve AK-A2) ile hazırlanan sulu çözeltiler ise guar zamkı gibi kayma incelme akış özelliği gösterdiği görülmüştür. AK-A1 ve AK-A2 sulu çözeltisinin guar zamkından reolojik olarak farkı ise her kesme hızında viskozite değeri, guar zamkından yüksek olması yapılan ölçümlerden çıkarılmaktadır. AK-A1 ve AK-A2 üzerine eklenen asidik grupların H bağı yapma özellikleri olduğundan AK-A1 ve AK-A2'nin bütün kesme hızlarında viskozite değeri saf guar zamkinden yüksek olarak ölçülmüştür. Anyonik ve katyonik modifikasyon sonucu elde edilen ürünlerin, reolojik anlamda birbirlerine etkilerini incelemek adına ise aynı konsantrasyondaki katyonik ve anyonik modifikasyon ürünlerinin sulu çözeltileri 1:1 ağırlıkça olacak şekilde karıştırılıp artan kesme hızına karşılık viskozite değerleri ölçülmüştür. 7.5 mL %60'lık CHPTAC içeren katyonik modifikasyonun (AK-6), anyonik modifikasyonun 8 gram MCA içeren modifikasyonu (AK-A2) ile olan karışımında karışım, anyonik modifikasyon sonucu elde edilen ürünlerin çözeltilerinde olduğu gibi kayma incelme akış özelliği göstermiştir. AK-6'nın, 4 gram MCA içeren modifikasyonu (AK-A1) ile olan karışımında karışım kayma incelme akış özelliği göstermiştir. 30 mL %60'lık CHPTAC içeren katyonik modifikasyonun (AK-9), 8 gram MCA içeren anyonik modifikasyonu (AK-A1) ile olan karışımında ise karışım, düşük kesme kuvvetlerinde kesme incelme akış davranışı gösterirken yüksek kesme kuvvetlerinde Newtonian akış özelliği göstermiştir. AK-9'un 8 gram MCA içeren modifikasyonu (AK-A2), katyonik modifikasyondaki gibi Newtonian akış göstermiştir.
Özet (Çeviri)
Polysaccharides are unique biopolymers with a significant structural diversity. Many organisms, including plants, animals, fungi, algae, and microorganisms, form large amounts of polysaccharides through biosynthesis due to their structure-forming ability as storage polymers and as structure-forming macromolecules. Thanks to their ability to form structures by supramolecular interactions of variable types, polysaccharides are exceptional. Furthermore, polysaccharides are increasingly recognized as essential substances in biotransformation processes, for example, in terms of activity and selectivity. While naturally occurring polysaccharides are already remarkable, chemical modification can improve given properties and can even be used to tailor-engineer advanced materials. Polysaccharides are used in food and other industries as stabilizers, thickeners, gelling agents and inhibitors of crystal formation. Polysaccharides such as cellulose, xylan and chitosan appear in nature as structural materials. They form the cell walls of plants and the shells of crustaceans and insects. Other polysaccharides such as glycogen, amylose and amylopectin are essential for storing sugar in many animals and plants(Seidi et al., 2018). Gums are also categorized under polysaccharides. Guar gum, cashew gum, xanthan gum, gum arabic, and chitin are some examples of gums. Guar gum is a galactomannan, a naturally occurring polymer, obtained from the soil endosperm of the plant Cyamopsis tetragonolobus or Cyamopsis psoraloides. Guar gum belongs to the legume family. When dissolved in water, the presence of a large number of hydroxyl groups increases the ability of guar gum to form hydrogen bonds. Thanks to this ability, it increases the viscosity and enhances the gelling properties. Based on these properties, guar gum has a variety of applications in various industries, such as textiles, food, petrochemicals, mining, and paper. With the increasing supply in the market in recent years, there has been increased work on the development of various compounds of guar gum. Combining guar gum with other substances not only enhances its properties but also increases its versatility for different applications in various fields such as water treatment, drug delivery, pharmaceutical, cosmetic and food industries. The aim of this study was to investigate the rheological properties of pure guar gum and cationic and anionic modifications of guar gum. Guar gum was preferred in this study due to its water solubility, thickening properties, and industrial use as a stabilizing agent. 3-Chloro-2hydroxypropyltrimethylammonium chloride (CHPTAC) was used as an etherifying agent in different ratios for the cationic modification of guar gum. The reaction medium was determined as water. After the guar gum was completely dissolved in water, CHPTAC was added to the system using a dropping funnel. At the end of the addition, the temperature was adjusted to 50°C and the reaction was carried out at this temperature for 24 hours in a basic environment. The new product obtained at the end of the reaction was collected by precipitation with ethanol. A freeze-drying system was preferred to remove the water in the medium. Anionic modification of guar gum was obtained from the reaction of guar gum with different ratios of monochloroacetic acid (MCA) aqueous solutions. The reaction medium was determined as water, and the reaction was carried out at basic pH as in the cationic modification. MCA aqueous solution was added to the system with a dropping funnel of 1 mL/min. After adding the MCA aqueous solution, the reaction was carried out at 50°C for 4 hours. After the reaction time, precipitation and freeze-drying processes were applied, respectively, to collect the synthesized product. Ethanol was used in the precipitation step as in the cationic modification.FTIR analyses were performed to determine the spectral properties of the modifications obtained from the reactions. The 1642 cm-1 peak in the FTIR analyses of the products obtained as a result of cationic modification proves that the reaction was successful. In the anionic modification, 1600 cm-1, 1391 cm-1, and 1253 cm-1 belong to the asymmetric and symmetric stretching vibrations of the added -COO- group, respectively. The presence of these peaks proves that the anionic modification was successful.1H NMR analysis was performed to understand the difference in modified guar gums. The characteristic signals were observed in the 1H NMR. TGA analyses were performed to understand how the thermal properties of unmodified guar gum were affected as a result of the modifications. In TGA analyses, 25-600°C and 20 °C/min heating rate were used. According to the TGA results, the thermal stability of anionic and cationic modification decreased compared to guar gum as expected. This shows that the added groups were successfully reacted. In order to examine the rheological behaviour of the obtained modifications and natural guar gum in water, viscosity-shear rate graphs were plotted. In order to examine the rheological properties, solutions were formed by dissolving each modification in pure water at the same ratio. The rheological properties of anionic, cationic modifications, and guar gum were investigated under increasing shear rate. As a result of the measurements, it was observed that aqueous solutions of the cationic modification showed Newtonian flow properties. The initial viscosity values of the modifications are lower than those of natural guar gum. It was observed that anionic modifications showed shear thinning flow properties like guar gum. The rheological difference of anionic modifications from guar gum is that the viscosity value at each shear rate is higher than guar gum. In order to examine the rheological effects of anionic and cationic modifications on each other, aqueous solutions of cationic and anionic modifications at the same concentration were mixed 1:1 by weight and viscosity values were measured against increasing shear rate. In the mixture of the cationic modification containing a low percentage of CHPTAC (AK-6) with the modification of the anionic modification containing a high percentage of MCA (AK-A2), the mixture showed shear thinning flow characteristics as in the anionic modification. In the mixture of AK-6 with low MCA containing modification (AK-A1), the mixture showed shear thinning flow characteristics. In the mixture of the modification of the cationic modification (AK-9) with high etherifying agent (CHPTAC) with the anionic modification (AK-A1) containing low MCA, the mixture showed shear thinning flow behaviour at low shear rates and Newtonian flow at high shear rates. The modification of AK-9 with high MCA content (AK-A2) showed Newtonian flow as in the cationic modification.
Benzer Tezler
- Lityum metakrilat içeren iyonik hidrojellerin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of ionic hydrogels containing lithium methacrylate
NECLA İPEK
- İyonik sıvı temelli fosfinit ligandların ve metal komplekslerin sentezi, karakterizasyonu; transfer hidrojenleme reaksiyonlarında katalitik dönüşümlerinin ve biyolojik aktivitelerinin araştırılması
Synthesis and characterization of ionic liquid based phosphinite ligands and metal complexes; investigation of their catalytic conversions in transfer hydrogenation reactions and biological activity
UĞUR IŞIK
- Yeni nesil iyonik sıvıların sentezi, karakterizasyonu, çözücü ve reaktif özelliklerinin incelenmesi
Synthesis and characterization of new generation ionic liquids and their use as solvent and reagent
MELEK ÖZDEMİR
- İyonik poli (N.N dimetilakrilamid-ko-akrilamid) hidrojellerinin sentezi ve şişme davranışları
Synthesis and characterization of macroporous and thermo-sensitive poly (N-isopropylacrylamide-co-acrylamide) hydrogels
İLKAY AKÇAKAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2005
KimyaGazi ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. TUNCER ÇAYKARA
PROF.DR. BAKİ ERDOĞAN
- Synthesis and characterization of novel waterborne polyurethane dispersions
Özgün su bazlı poliüretan dispersiyonlarının sentezi ve karakterizasyonu
NESİBE AYŞE DOĞAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Mühendislik BilimleriSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YUSUF ZİYA MENCELOĞLU
YRD. DOÇ. DR. SERKAN ÜNAL