Synthesis and characterization of a novel polymerizable deep eutectic solvent
Yeni bir polimerize edilebilir derin ötektik solventin sentez ve karakterizasyonu
- Tez No: 916325
- Danışmanlar: PROF. DR. BÜNYAMİN KARAGÖZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 75
Özet
Derin ötektik çözücüler (DES'ler), son yıllarda sürdürülebilir ve çevre dostu alternatif çözücüler olarak büyük ilgi görmektedir. DES'ler, genellikle bir hidrojen bağı alıcısı (HBA) ve bir hidrojen bağı vericisinin (HBD) belirli molar oranlarda karıştırılmasıyla elde edilen özel bir ötektik karışım türüdür. Bu bileşenlerin arasındaki güçlü hidrojen bağları, karışımın erime noktasını, bileşenlerin her birinin erime noktasından çok daha düşük bir seviyeye indirir. Bu özellik, DES'lerin oda sıcaklığında sıvı halde bulunmalarını sağlar ve onları çeşitli uygulamalar için çekici kılar. DES'ler, düşük buhar basıncı, yüksek termal kararlılık, biyouyumluluk ve biyobozunurluk gibi avantajlara sahiptir. Ayrıca, DES'lerin sentezi genellikle basit, ucuz ve çevre dostudur, bu da onları geleneksel organik çözücülere ve iyonik sıvılara göre daha sürdürülebilir bir alternatif haline getirir. Polimerleşebilen derin ötektik çözücüler (PDES'ler), DES teknolojisinin bir adım ötesine geçerek, çözücü özelliklerini polimer ağ oluşturma yeteneği ile birleştirir. PDES'ler, en az bir polimerleşebilir bileşen içeren DES'lerdir. Bu polimerleşebilir bileşen genellikle bir vinil, akrilik veya metakrilik grup içerir ve uygun koşullar altında (ör. ısı, ışık veya başlatıcı varlığı) polimerizasyon reaksiyonu geçirebilir. PDES'lerin benzersiz özelliği, DES'lerin avantajlarını korurken, polimerizasyon sonrası elde edilen malzemeye yeni işlevler kazandırabilmeleridir. Bu, PDES'leri özellikle enerji depolama cihazları, sensörler, akıllı malzemeler ve biyomedikal uygulamalar gibi alanlarda ilgi çekici kılmaktadır. Bu tez çalışmasında, DES sentezinde yeni bir kimyasal olan akriloksietiltrimetil amonyum klorür (AETMAC) kullanılarak yenilikçi bir PDES sistemi geliştirilmiştir. AETMAC, hidrojen bağı alıcıları olarak Setiltrimetilamonyum Klorür (CTAC) ve Tetrabütilamonyum Bromür (TBAB) ile birlikte kullanılmış, hidrojen bağı vericisi olarak ise Akrilik Asit (AA) seçilmiştir. Bu bileşenlerin seçimi, hem DES oluşumunu sağlamak hem de sonraki polimerizasyon aşaması için uygun koşulları sağlamak amacıyla yapılmıştır. AETMAC'ın kullanımı, iyonik karakteri ve polimerleşebilir akrilik grubu nedeniyle özellikle yenilikçidir ve bu kombinasyon, elde edilen PDES'in benzersiz özellikler sergilemesini sağlamıştır. Sentez sürecinde, AETMAC ve CTAC başlangıçta sulu çözelti formunda elde edilmiş ve dondurarak kurutma tekniği kullanılarak kurutulmuştur. En uygun DES kompozisyonunu belirlemek için, hidrojen bağı vericileri ve alıcılarının farklı molar oranları hem teorik hem de deneysel olarak incelenmiştir. Bu optimizasyon süreci, en berrak ve kararlı DES formülasyonunun elde edilmesini sağlamıştır. Elde edilen DES'lerin karakterizasyonu için çeşitli analitik teknikler kullanılmıştır. Fourier dönüşümü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) analizi, AA'nın karbonil grubu için adsorpsiyon pikinin 1695 cm⁻¹'den 1719 cm⁻¹'e bir kayma göstererek DES oluşumunu doğrulamıştır. Bu kayma, bileşenler arasında güçlü hidrojen bağlarının oluştuğunu göstermektedir. DES oluşumunun bir diğer önemli göstergesi, karışımın erime noktasındaki (Tm) belirgin düşüştür. Diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) ile yapılan ölçümler, CTAC-AETMAC ve TBAB-AETMAC tipi DES'lerin Tm değerlerinin -10 ile 0 °C aralığında olduğunu göstermiştir. Bu değerler, bileşenlerin bireysel erime noktalarından (Tm TBAB: 103°C, Tm CTAC: 237°C, Tm AA: 13,5°C ve Tm AETMAC: 156°C) çok daha düşüktür ve güçlü bir ötektik etkinin varlığını kanıtlamaktadır. Bu sonuçlar, geliştirilen sistemlerin gerçekten ötektik noktada olduklarını ve bileşenler arasında güçlü etkileşimlerin var olduğunu doğrulamaktadır. Çalışmanın bir sonraki aşamasında, elde edilen PDES'ler kullanılarak iyonik iletken elastomerlerin (ICE'ler) üretimi gerçekleştirilmiştir. Bu süreçte, akrilik asit (AA) ve AETMAC'ın fotopolimerizasyonu yöntemi kullanılmıştır. Fotopolimerizasyon, oda sıcaklığında gerçekleştirilebilmesi, hızlı olması ve minimum enerji gerektirmesi nedeniyle tercih edilmiştir. Ancak, her iki kimyasal da akrilik monomer olduğundan, fotopolimerizasyon sırasında hızlı ve ekzotermik bir reaksiyon gözlenmiştir. Bu reaksiyonu kontrol etmek ve daha kararlı bir polimerizasyon süreci elde etmek için, AETMAC'a ek proton alıcıları olarak CTAC ve TBAB eklenmiştir. Bu ekleme, polimerizasyon işleminin reaksiyon hızını ve stabilitesini önemli ölçüde geliştirmiştir. Fotopolimerizasyon reaksiyonu, çevre dostu bir yaklaşımla güneş ışığı altında gerçekleştirilmiştir. Bu yöntem, saniyeler içerisinde sert ve kırılgan bir polimer yapısının oluşmasını sağlamıştır. Polimerizasyon sürecinin başarısı ve etkinliği, birbirini tamamlayıcı iki güçlü spektroskopik yöntem olan proton nükleer manyetik rezonans (¹H NMR) spektroskopisi ve Fourier dönüşümü kızılötesi (FTIR) spektroskopisi kullanılarak kapsamlı bir şekilde doğrulanmıştır. ¹H NMR analizi, polimerizasyon öncesi ve sonrası numunelerin karşılaştırılmasıyla gerçekleştirilmiştir. Polimerizasyon öncesi spektrumda belirgin olan, vinil grubunun karakteristik sinyalleri olan 5,5 ve 6,5 ppm'deki tepe noktalarının, polimerizasyon sonrası spektrumda tamamen ortadan kalktığı gözlemlenmiştir. FTIR spektroskopisi analizleri de ¹H NMR bulgularını destekler nitelikte sonuçlar vermiştir. Polimerizasyon öncesi FTIR spektrumunda gözlemlenen, C=C çift bağına ait karakteristik adsorpsiyon piki olan 1617 cm⁻¹'deki keskin bandın, polimerizasyon sonrası spektrumda tamamen kaybolduğu tespit edilmiştir. Bu spesifik pikin yokluğu, vinil gruplarının polimerizasyon sırasında tüketildiğini ve C=C çift bağlarının C-C tek bağlarına dönüştüğünü doğrulamaktadır. Elde edilen ICE'lerin karakterizasyonu için çeşitli yöntemler kullanılmıştır. İyonik iletkenliği göstermek amacıyla basit bir elektrik devresi tasarlanmış ve ICE'lerin elektriksel özellikleri incelenmiştir. Dört noktalı prob yöntemi kullanılarak yapılan testler, üretilen malzemelerin iyonik iletkenlik özelliklerini doğrulamış ve bu değerlerin 1 ila 3 × 10-3 S/cm aralığında olduğunu göstermiştir. Her ne kadar bu değerler iletken polimerlerin spektrumunun daha düşük seviyelerinde kalsa da, ICE'lerin iletim potansiyeli umut vericidir. Bu sonuçlar, üretilen PDES'lerin potansiyel elektronik veya enerji depolama uygulamaları için uygunluklarını vurgulamaktadır. Bu testler, üretilen malzemelerin iyonik iletkenlik özelliklerini doğrulamış ve potansiyel elektronik veya enerji depolama uygulamaları için uygunluklarını göstermiştir. Bu çalışma, AETMAC tabanlı PDES'ler kullanılarak ICE'lerin üretilmesine yönelik yeni ve yenilikçi bir yaklaşım sunmaktadır. Elde edilen sonuçlar, geliştirilen sistemlerin başarılı bir şekilde DES oluşturduğunu ve sonrasında kontrollü bir şekilde polimerleşebildiğini göstermektedir. AETMAC'ın PDES sentezinde kullanımı, geniş bir uygulama yelpazesi için özel özelliklere sahip fonksiyonel malzemelerin geliştirilmesinde yeni olanaklar yaratmaktadır. Gelecekteki araştırmalar için çeşitli yönler belirlenmiştir. Bunlar arasında farklı hidrojen bağı alıcıları ve vericileri kullanarak PDES çeşitliliğinin genişletilmesi, ICE'lerin mekanik özelliklerinin daha detaylı incelenmesi ve iyileştirilmesi, bu malzemelerin enerji depolama, akıllı malzemeler veya biyomedikal uygulamalar gibi spesifik alanlarda kullanımının araştırılması ve PDES sentezi ve ICE üretimi süreçlerinin endüstriyel ölçekte uygulanabilirliğinin değerlendirilmesi yer almaktadır. Sonuç olarak, bu tez çalışması sürdürülebilir ve fonksiyonel malzemeler alanında yeni ufuklar açmakta ve gelecekteki araştırmalar için sağlam bir temel oluşturmaktadır. AETMAC tabanlı PDES'lerin ve bunlardan üretilen ICE'lerin geliştirilmesi, malzeme bilimi ve kimya mühendisliği alanlarında önemli ilerlemelere yol açabilir ve çevre dostu, yüksek performanslı malzemelerin geliştirilmesine katkıda bulunabilir.
Özet (Çeviri)
Polymerizable deep eutectic solvents are becoming increasingly popular in sustainable materials research. They are highly customizable and can be synthesized using eco-friendly methods. In this study, a polymerizable deep eutectic solvent (PDES) was prepared using acryloxyethyltrimethyl ammonium chloride (AETMAC), a novel chemical in DES synthesis, Cetyltrimethylammonium Chloride (CTAC), Tetrabutylammonium Bromide (TBAB) as hydrogen bond acceptors, and Acrylic Acid (AA) as a hydrogen bond donor. Two types of DESs were obtained and used to fabricate ionic conductive elastomers (ICEs) via the photopolymerization of AA and AETMAC. To control the rapid and exothermic reaction during photopolymerization, CTAC and TBAB were added as additional proton acceptors to the AETMAC. The addition of CTAC and TBAB improved the reaction rate and stability of the polymerization process. The photopolymerization reaction was carried out under sunlight, and a hard and brittle polymer structure was achieved in seconds. The resulting ICEs were characterized using various techniques. The AETMAC and CTAC were initially obtained in a water mixture and dried using a freeze-dryer technique. Different molar ratios of hydrogen bond donors and acceptors were theoretically and experimentally investigated to find the optimum ratio to attain the clearest solution. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) analysis confirmed the occurrence of hydrogen bonding by the band originally at 1695 cm⁻¹ for the carboxylic group of acrylic acid shifting to 1719 cm⁻¹. Generally, the melting point (Tm) of a deep eutectic solvent is lower than that of any of the single components. Therefore, the melting point of the resulting DESs was measured with differential scanning calorimetry (DSC), and the results provided clear evidence of the formation of DESs. The Tm values of the CTAC-AETMAC and TBAB-AETMAC type DESs were found to be way lower than expected, indicating the formation of a strong hydrogen bond network in the range of -10 to 0℃ (Tm TBAB: 103℃, Tm CTAC: 237 ℃, Tm AA: 13.5 ℃, and Tm AETMAC:156 ℃). Additionally, a simple electrical circuit was designed to demonstrate the electrical conductivity of the ionic conductive elastomers. Conductivity values measured using the four-point probe method ranged from 1 to 3 × 10-3 S/cm, placing them at the lower end of the conductive polymer spectrum, yet still indicating promising potential.The 1H NMR spectrum further verifies that the polymerization is successful as the peaks at 5,5 and 6,5, corresponding to the C-C double bond, disappear. Furthermore, in the FTIR spectra of PDESs, the band initially seen at 1617 cm⁻¹, which corresponds to the C=C absorption band, disappears, signifying the successful polymerization. To sum up, Polymerisable Deep Eutectic Solvents (PDES) are a versatile class of solvents that are used in everything from the synthesis of polymers to the creation of nanoparticles. Their capacity to undergo polymerization while acting as reaction media has several benefits for sustainability, material design, and process control. Continued research and exploration of PDES are expected to yield further insights into their potential applications and expand their utility in diverse fields. Moreover, this study presents a novel approach to fabricating ICEs using AETMAC-based PDESs. The use of AETMAC PDES synthesis opens up new possibilities for the development of functional materials with tailored properties for a wide range of applications.
Benzer Tezler
- Yeni tip Aza-BODIPY bileşiğinin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of a novel Aza-BODIPY compound
ESRA BAYRAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUHAMMET ÜBEYDULLAH KAHVECİ
DR. ŞENNUR ÖZÇELİK
- Preparation and characterization of gene and drug delivery systems
Gen ve i̇laç taşiyici si̇stemleri̇n hazirlanmasi ve karakteri̇zasyonu
MÜGE SENNAROĞLU BOSTAN
Doktora
İngilizce
2015
Eczacılık ve FarmakolojiMarmara ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET SAYIP EROĞLU
- Akıllı uygulamalara yönelik politiyofen tabanlı metalopolimerlerin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of polythiophene-based metallopolymers for smart applications
NEŞE GÜVEN
- Redoks yöntemi ile poliakrilonitril makrofotobaşlatıcısının sentezi, karakterizasyonu ve blok kopolimer eldesinde kullanılması
Synthesis and caracterization of a novel mid-chain macrofotoinitiator of polyacrylonitrile by redox system
EDİP TAŞKESEN
- Redoks yöntemi ile poli(metil metakrilat) makrofotobaşlatıcısının sentezi, karakterizasyonu ve blok kopolimer eldesinde kullanılması
Synthesis and charakterization of mid-chain macrophotoinitiator of poly(methyl methacrylate) by redox system and its using in block copolimerization
MEHMET ALİ AKBULUT