Gözenekli, iyonik süper absorban polimer jellerin hazırlanması ve karakterizasyonu
The preparation and characterization of porous and ionic super absorbent polymer gels
Yazar: AYŞEGÜL GÖKALP
Danışman: DOÇ. DR. GÜLTEN GÜRDAĞ
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimyasal Teknolojiler Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Polietilen glikoller = Polyethylene glycols ; Sodyum bikarbonat = Sodium bicarbonate ; Sukroz = Sucrose

Özet:
N,N-(dimetilamino)etil metakrilat sülfat (DMAEMASA) ve N,N-dimetilakrilamid (DMAm) monomerlerinden çapraz bağlı poli(N,N-(dimetilamino)etil metakrilat sülfat) (PDMAEMASA veya 100 DESA) homopolimeri ve poli(N,N-(dimetilamino)etil metakrilat sülfat-ko-N,N-dimetilakrilamid) (P(DMAEMASA-ko-DMAm)) kopolimerleri ilk kez bu çalışmada hazırlanmıştır. Gerek homopolimer gerekse kopolimer jeller, uyarıya duyarlılıklarını arttırmak için ağırlıkça % 5 ve %10 oranında sukroz (SUC), poli(etilen glikol) 2000 (PEG) ve sodyum bikarbonat (NaHCO3) varlığında hazırlanarak gözenekli yapıya sahip olmaları sağlanmıştır.Polimerizasyon reaksiyonları, başlatıcı olarak toplam monomer miktarının molce %1 oranında amonyum persülfat (APS), hızlandırıcı olarak APS miktarına eşit ağırlıkta N,N,N',N'-tetrametilendiamin (TEMED) ve çapraz bağlayıcı olarak toplam monomer miktarının molce %1'i oranında N,N'-metilen bis akrilamid (NMBA) kullanarak, sulu çözeltide, 40oC'da 24 saat sürede gerçekleştirilmiştir. Başlangıç toplam monomer konsantrasyonu 1 M olarak sabit tutulmuştur. DMAEMASA-DMAm kopolimerlerinin hazırlanmasında besleme bileşimindeki DMAm komonomeri miktarı molce %20 ve %40 oranında alınarak sırasıyla 80 DESA ve 60 DESA kopolimerleri hazırlanmıştır.Elde edilen jellerin destile su içinde 20, 30, 40 ve 60oC'daki şişme denge değerleri (Q) ile sabit iyonik şiddete (I= 0.1M) ve değişik pH değerlerine (pH=2.2, 3.0, 5.0, 7.0 ve 10.0) sahip tampon çözeltiler içinde 20oC'daki şişme denge değerleri belirlenerek, ilk kez bu çalışmada hazırlanan DMAEMASA homopolimer ve DMAEMASA-DMAm kopolimerlerinin sıcaklığa ve pH'a bağlı şişme davranışı ve şişme değerlerinin zamanla değişimi incelenmiştir. İlaveten polimerlerin gözenek oluşturucu varlığında ve yokluğunda hazırlanması ile gözenek oluşturucu miktarı ve tipinin şişme davranışı üzerindeki etkileri belirlenmiştir. Polimerlerin yapısal ve termal karakterizasyonu elementel analiz, FTIR, DSC ve SEM yöntemleri ile gerçekleştirilmiştir.Elementel analiz sonuçları DMAEMASA monomerinin homopolimer ve kopolimerde teorik değerin yaklaşık % 70'i oranında bulunduğunu göstermiştir. Bu sonuç, homopolimer ve kopolimer yapılarında sırasıyla DMAEMASA ve DMAEMASA-DMAm'in yanında DMAEMA'ın varlığına işaret etmektedir. Homopolimerin camsı geçiş sıcaklığı (Tg) değeri 168.4oC olarak tespit edilmiş olup, yapıya DMAm'in girmesi ile 80 DESA ve 60 DESA kopolimerlerinin Tg değerlerinin, sırasıyla 154.6 ve 147.8oC'a düştüğü görülmüştür. Gözenek oluşturucu kullanımı homopolimerde Tg değerlerini NaHCO3 , PEG , SUC sırasında azaltırken; 80 DESA ve 60 DESA kopolimerlerinde NaHCO3 ve PEG Tg değerleri üzerinde pek etki yapmazken, sukroz yaklaşık 7oC'lık düşmeye neden olmuştur.Destile su içindeki şişme değerleri monomer beslemesindeki DMAEMASA miktarının artışı ile azalmış ve en düşük Q değeri gözeneksiz homopolimerde tespit edilmiştir. Destile sudaki şişme denge değerlerinin sıcaklıkla ve gözenek oluşturucu kullanımı ve miktarının artışı ile arttığı belirlenmiştir. Şişme denge değerleri üzerinde en büyük pozitif etkiyi NaHCO3 gösterirken, PEG ve SUC yakın performans sergilemiştir.Gözenekli ve gözeneksiz homopolimer ve kopolimerlerin tampon çözeltiler içindeki şişme değerleri pH=5'de minimum göstermiş olup, asidik ve bazik pH'larda, düşük pH'da daha fazla olmak üzere yüksek Q değerleri gözlenmiştir.Anahtar Kelimeler: N,N-(dimetilamino)etil metakrilat sülfat, N,N-dimetilakrilamid, sukroz, poli(etilen glikol) 2000, sodyum bikarbonat, gözenekli jel.

Abstract:
In this thesis, crosslinked poly(N,N-(dimethylamino)ethyl methacrylate sulfate) (PDMAEMASA or 100 DESA) homopolymer and poly(N,N-(dimethylamino)ethyl methacrylate sulfate-co-N,N-dimethylacrylamide) (P(DMAEMASA-co-DMAm)) copolymers were prepared from N,N-(dimethylamino)ethyl methacrylate sulfate (DMAEMASA) ve N,N-dimethylacrylamide (DMAm) monomers for the first time. Both homopolymer and copolymer gels were also prepared in the presence of 5 wt. % 10 wt. % sucrose (SUC), poly(ethylene glycol) 2000 (PEG) ve sodium bicarbonate (NaHCO3) in order to increase the stimuli-responsive properties. Thus, these gels have gained porous structure. Polimerization reactions were performed in aqueous solution, at 40oC in 24 hours by using ammonium persulphate (APS) (1mol % of the total monomer content) as initiator; N,N,N?,N?-tetramethylenediamine (TEMED) (same weight of APS) as accelerator; and N,N?-methylene bis acrylamide (NMBA) (1 mol % of total monomer content) as crosslinker. The initial total monomer content was kept constant at 1 M. In the preparation of DMAEMASA-DMAm copolymers, the content of DMAm in monomer feed was 20 and 40 mol % for 80 DESA and 60 DESA copolymers, respectively.Swelling behavior of DMAEMASA homopolymer and DMAEMASA-DMAm copolymer, prepared for the first time in this work, as a function of time and pH of swelling medium were investigated by determining their equilibrium swelling values (ESV) in distilled water at 20, 30, 40, and 60oC and in buffer solutions at constant ionic strength (0.1 M) with various pH?s at 20oC for 24 h. In addition, the polymers were prepared in the presence of pore-foaming agents, so that the effect of pore-forming agents on their swelling behavior was studied. The structural and thermal characterization of polymers were performed by elemental analysis, FTIR, DSC and SEM methods.Elemental analysis results showed that DMAEMASA content in both homopolymer and copolymer was nearly the same, and it was 70% of theoretical value. This result shows the presence of DMAEMA units in addition to DMAEMASA and DMAEMASA-DMAm in homopolymer and copolymer, respectively. Glass transition temperature (Tg) of homopolymer was determined to be 168.4oC. With the introduction of DMAm into the polymer structure, Tg values of 80 DESA and 60 DESA copolymers decreased to 154.6 and 147.8oC, respectively. While the use of pore-forming agent during the polymerization of 80 DESA and 60 DESA copolymers decreased the Tg values in the order of NaHCO3 , PEG , SUC; NaHCO3 and PEG had nearly no effect on Tg values these polymers, but sucrose led to approximately 7oC decrease in Tg of same polymers.Equilibrium swelling values of polymers in distilled water decreased with DMAEMASA content in monomer feed and the lowest ESV is belong to non-porous homopolymer. ESV?s of homopolymer and copolymers increased with temperature, the use of pore-forming agent during the polymerization, and the amount of pore-former. While NaHCO3 had the highest positive effect on the ESV?s of polymers, the performances of PEG and SUC were nearly same.ESV?s of both porous and non-porous homopolymer and copolymers displayed a minimum at pH=5. In acidic and basic medium, higher ESV?S were observed, especially ESV?s in low pH-region were higher than those in basic medium.Key Words: N,N-(dimethylamino)ethyl methacrylate sulfate, N,N-dimethylacrylamide, sucrose, poly(ethylene glycol) 2000, sodium bicarbonate, porous gel.