Poliakrilamid biyokompozit sentezi
Synthesis of polyamylamide biocomposite
Yazar: GÜLŞAH CEVAHİR
Danışman: PROF. DR. OYA ATICI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Kimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Kimya = Chemistry ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Kümes hayvancılığı yapan endüstriler için büyük sorun teşkil eden ve imha edilen tavuk tüylerinin %91'i keratin (protein), %8'i su, %1'i ise lipiddir. İçeriği açısından tavuk tüyü değerli bir hammaddedir. Tavuk tüyü keratinin, düşük yoğunluk, yüksek sıkıştırılabilirlik ve elastikiyet, ses geçirgenliğini azaltma, sıcak tutma gibi özellikleri, onların lif olarak tercih edilmesine neden olmaktadır. Buradaki temel problem keratinin lif olarak kullanılmasına yetecek kadar mekanik mukavemete ve termal stabiliteye sahip olmamasıdır. Poliakrilamid ise adsorpsiyon sağlayıcı, çökelti giderici, pıhtılaşma önleyici, koagülan olan ve kozmetik ürünleri başta olmak üzere çeşitli endüstrilerde koyulaştırıcı ve bağlayıcı vb. olarak kullanılabilen bir polimerdir. 
Bu çalışmadaki hedef, temeli keratin olan keratin graft poliakrilamid kopolimerinin elde edilmesi ve elde edilen kopolimere kolemanit minareli ilave edilerek antibakteriyel özellikli, termal dayanıklılığı arttırılmış biyokompozit elde etmektir. 
Hedefe ulaşmak üzere öncelikle tavuk tüylerinden çözülebilir keratin elde edilmiş, daha sonra radikalik polimerizasyon ile keratin-graft-poliakrilamid ve keratin graft poliakrilamid/kolemanit biyokompozitleri sentezlenmiş, sentezlenen biyokompozitlerin spektral, termal, mekanik ve morfolojik analizleri ve oluşturup oluşturmadığı incelenerek karakterize edilmişler ve son olarak antimikrobiyal etkinlikleri tespit edilmiştir.
Tavuk tüylerinden keratin elde edebilmek için öncelikle tüylerdeki yağ bileşenleri diklor metan kullanılarak geri soğutucu altında uzaklaştırılmıştır. Lipid bileşenlerinden ayrılmış yıkanmış, kurutulmuş ve küçük parçalara ayrılmış tavuk tüyleri NaOH ile ve Na2S veya EDTA kullanarak veya kullanmaksızın sulu çözeltilerinde çözünürleştirilmiştir. Optimum koşullar, 1.5 M NaOH, 0.1 M EDTA, 25°C ve 3 saat oda sıcaklığında karıştırma ve daha sonra bir gün oda koşullarında dolapta bekletme olarak bulunmuştur. Oluşan çözelti asetik asitle pH 4.2'de çöktürülmüş ve çözünmemiş parçalar keratinden ayrılmış, çöken keratin su, asetonla yıkanmış ve keratin elde edilmiştir ve Freeze drier aletinde kurutulup, toz haline getirilmiştir (verim %89). Spektral veriler yapıyı doğrulamıştır. 
Üzerinde  OH,  SH ve –NH gibi aktif hidrojenler içeren geri kazanılan keratin, monomer olarak akrilamid ve başlatıcı çifti olarak amonyum persulfat/sodyum metabisülfit kullanılarak keratin graft poliakrilamid biyopolimeri elde edilme çalışmaları yapılmıştır. Yapılan radikalik polimerizasyon çalışmaları polimerleşme veriminin; keratin miktarına, akrilamid miktarlarına, amonyum persulfat konsantrasyonuna ve sıcaklığa bağlı olduğunu göstermiştir. Keratin graft poliakrilamid oluşumunda en yüksek verimin bulunduğu optimum polimerizasyon koşulları; 0.50 g keratin, 2.3 mol/L akrilamid, 0.12 mol/L amonyum persülfat, 0.103 mol/L sodyum metabisülfit kullanılması ve reaksiyonun 35°C'de 3 saat sürdürülmesi, olarak bulunmuştur (%97.3 ). FTIR spektrasında C-O ve C-S bağlarının oluştuğu görülmüş, bandlarda genişleme ve kaymaların olması keratinin AAm ile reaksiyona girdiğini düşündürmüştür. Keratin-graft-poliakrilamid kopolimelerinin 1HNMR spektrasında, keratinin -SH ve -NH protonlarına ait sinyaller kaybolmuş, polimerizasyonun keratindeki -SH ve -NH protonlarından başladığı belirlenmiştir. Keratin ve poliakrilamid fonksiyonel grup benzerliğinden dolayı 13CNMR'de benzeri yerlerde iki bileşeninde piklerine rastlanmıştır. 
Keratin-graft-poliakrilamid/kolemanit biyokompozit elde etmek için, kolemanit/(keratin+monomer oranı) (gr/gr) %1, %3, %5 olacak şekilde alınarak ve belirlenen optimum graft polimerizasyon koşulları kullanılarak, çalışılmıştır. Tüm biyokompozitleri karakterize etmek için FTIR analizleri yapılmış, elde edilen spektrada kolemanitin yapısal -OH bandının kaybolması, BOH ve BOB eğilim bandlarının ve BO gerilme titreşimine ait bandların oluşması, bor ihtiva eden biyokompozitlerin elde edildiğini göstermiştir. Biyokompozitlerin 1HNMR spektrasında, keratin yapısındaki amino asit zinciri üzerinde bulunan birçok farklı hidrojen atomundan oluşan pik bölgesinde, artan bor miktarıyla orantılı olarak gözle görülür farklılık ortaya çıkmıştır. 13CNMR spektrasında molekül zincirinde farklı metin karbonlarının oluştuğu, metilen karbonlarının azaldığı görülmüştür. Spektrada çıkan farklı karbon piklerinin, kolemanitin kopolimerin yapısına katıldığını göstermiştir.
Keratin-graft-poliakrilamid biyokompozitinin ve %1, %3 ve %5'lik bor ilaveli biyokompozitlerinin DSC analizleri bor katkısı arttıkça polimerin camsı geçiş sıcaklığının (Tg) düştüğünü göstermiştir. TGA analizlerinden ise bor katkılı biyokompozitlerin 350°C ile 600°C'deler ve %20, %40 ve %60 kütle kaybının olduğu sıcaklıklarda yapılan incelemede, kalıntı yüzdelerinin kopolimere göre yüksek olduğu yani biyokompozitteki bor oranının artışıyla da kalıntı yüzdesinin arttığı görülmüştür. Ayrıca bor katkılı nanokompozitlerin maksimum bozunma noktası sıcaklığının da kopolimere göre daha yüksek olduğu, görülmüştür. Bor mineralinin kopolimere termal dayanım kazandırdığı ve camsı geçiş noktasında yumuşamaya sebep olduğu belirlenmiştir.
Keratin-graft-poliakrilamid biyokompozitinin ve %1, %3 ve %5'lik bor ilaveli biyokompozitlerinin antimikrobiyalite testleri iki farklı kurumda iki farklı yöntem ile yapılmıştır. Her iki kurumda yapılan analizler sonucunda %1, %3 ve %5'lik bor ilaveli biyokompozitlerin antimikrobiyel özellik gösterdiği tespit edilmiştir.
Sonuç olarak endüstriyel atık olan doğal bir malzemeden keratin, yüksek verimle geri kazanılmış ve geri kazanılan keratin kullanılarak, keratin tabanlı poliakrilamid kopolimerleri ve kolemanit katkılı biyokompozitleri elde edilmiştir. Elde edilen kopolimer ve biyokompozitlerin homojen ve geçirgen bir film yapısı oluşturduğu belirlenmiştir.  Kolemanit katkılı biyokompozitlerde, kolemanitin yapısındaki borun antibakteriyel özelliğinin graft kopolimerlere aktarıldığı, filmlerin camsı geçiş sıcaklığının azaltıldığı ve  termal dayanıklılığının geliştirildiği  gözlenmiştir.

Abstract:
Technological advances such as medicine, gene therapy, new drug delivery systems, body-implantable devices and nanotechnology have increased the demand for biological polymers. The renewable base material of biopolymers is proteins, polysaccharides and lipids. After the portions which can be used as food are removed, the remaining part, a major problem for the manufacturer, kown as industrial waste, contains biological polymers. Examples of natural biological polymers of economic value include xylane, which comprises 25-30% of corn cobs used in the production of oil and starch or sunflower seed pulp, which after the oil is removed, contains 50-70% cellulose. 
Chicken feathers, which are a major problem for the poultry industry, and which are destroyed, are made up of 91% keratin (protein), 8% water, and 1% lipid. In terms of their content, chicken feathers are a valuable raw material. Chicken feather keratin is preferred as a fiber due its low density, high compressibility and elasticity, ability to reduce sound permeability, and insulating properties. Keratin is used in various biotechnology studies including as a composite, and as biodegradable non-woven fabrics for hygienic, and health applications. Due to its hydrophilic nature, keratin-derived textile products are preferred due to their absorbency in sanitary and medical fields. Keratin is also used in the cosmetics industry. It is obvious that there are several fieds of use for keratin. Contrary to these cases, there are also disadvantages to the fibers obtained from keratin. The main problem is that keratin does not have enough mechanical strength and thermal stability to be used as fiber. For this reason, a durable film can not be formed. Therefore, it can not be used alone in the production of biocomposite materials.
They are called acrylamide monomer, acrylic acid amide, acrylic amide, ethylene carboxamide, 2-propenamide etc. It has been reported that the AAm monomer is highly toxic while the polymer form has very low toxicity or no toxicity. Among the main uses of the AAm monomer are the production of high molecular weight polymers or the commonly used cationic and anionic copolymers. Anionic copolymers have softening, thickening, shear strength, resistance reduction and dispersibility properties, while cationic copolymers have functions such as colorant, adsorption, sedimentation, adhesive, etc. These polymers may be used in the following: as coagulation inhibitors and coagulants in the treatment of waste water and sludge, as a viscosity modifier in crude oil recovery processes, as binders, dewaxing adjuvants and paper reinforcing agents in the paper industry, as mud holding and unloading aids in drilling, and as thickeners and binders in paint, coating, bath materials, and cosmetic products. Briefly, polyacrylamide is a polymer which provides adsorption, is a precipitate remover, an anticoagulant or coagulant and which is used in various industries, especially the cosmetic industry as a thickening and binding agent. 
The colemanite compund, due to the fact that it contains boron, can be used in the following: to prevent and control the spread of bacteria, to prevent corrosion, to act as a flame retardant in the field of cosmetics and medicine, for the neutralization of fatty acid, as an emulsifier in some creams, providing antiseptic properties, insulating glass fibers to reduce the temperature of the fibers, to improve the durability of glass fibers, to reduce the viscosity of melted glass, in detergents and soaps to provide water softening, acting as a pH buffer, providing solubility to other additives, and as a strong bleaching substance.
The aim of this study is to obtain keratin-graft-polyacrylamide copolymer, which is based on keratin, and to obtain a biocomposite with antibacterial properties and increased thermal durability by adding colemanite minerals to the obtained copolymers.
In order to achieve this goal, soluble keratin was first obtained from chicken feathers, then keratin-graft-polyacrylamide and keratin-graft-polyacrylamide/colemanite biocomposites were synthesized by radical polymerization and characterized by analyzing spectral, thermal, mechanical and morphological analyzes of synthesized biocomposites and finally characterized by antimicrobial activities.
In order to obtain keratin from chicken feathers, the fat components in the feathers were first removed under reflux using dichloromethane.
The chicken feathers with the lipid components removed were washed, dried and finaly separated then solubilized in aqueous solution with NaOH and Na2S, with or without EDTA. Optimum conditions were determined to be stirring with 1.5 M NaOH, 0.1 M EDTA, at 25°C and at room temperature for 3 hours and then resting the sample at room temperature in a cupboard for one day. The resulting solution was precipitated with acetic acid at pH 4.2 and the undissolved fractions were separated from the keratin; the keratin precipitated was washed with water, acetone and keratin, and dried in a freeze drier to a powder form (yield 89%). Spectral data was used to confirm the structure.
Further work was done to use the recovered keratin containing active hydrogens such as -OH, -SH and -NH, to obtain keratin graft polyacrylamide biopolymers using acrylamide as a monomer and ammonium persulfate/sodium metabisulfite as the initiator pair. The radical polymerization studies show that the polymerization efficiency depends on the amount of keratin, the amount of acrylamide, the concentration of ammonium persulfate and the temperature. The optimum polymerization conditions for the formation of keratin-graft-polyacrylamide were found to be 0.50 g of keratin, 2.3 mol/L of acrylamide, 0.12 mol/L of ammonium persulfate, 0.103 mol/L of sodium metabisulfite with the reaction being maintained at 35°C for 3 hours (% 97.3). The formation of C-O and C-S bonds were observed in the FTIR spectra, suggesting that expansion and shifts in the bands caused reaction between the keratin and AAm. In the 1HNMR spectra of keratin-graft-polyacrylamide copolymers, the keratin-SH and -NH proton signals were lost, indicating that the polymerization started with the -SH and -NH protons in the keratin. Due to the functional group similarity between keratin and polyacrylamide, two component peaks were encountered at similar locations in the 13CNMR. 
In order to obtain keratin-graft-polyacrylamide/colemanite biocomposite, the colemanite/(keratin+monomer ratio) was taken to be 1%, 3%, 5% (gr/gr) and worked using the determined optimum graft polymerisation conditions. FTIR analyzes were performed to characterize all biocomposites; the disappearance of the structural-OH band, the formation of bands of BOH and BOB tendency bands and the BO stretching vibration of the obtained spectral colemanite showed that boron containing biocomposites were obtained. The 1HNMR spectra of the biocomposites revealed a visible difference in proportion to the increasing amount of boron in the peak region of many different hydrogen atoms on the amino acid chain of the keratin structure. It was observed in the 13CNMR spectra, that different methine carbons were formed and methylene carbons were reduced in the molecular chain. It has been shown that different carbon peaks emerging from the spectrum participate in the formation of the colemanite copolymer.
DSC analyzes of the keratin-graft-polyacrylamide biocomponent and 1%, 3% and 5% boron-added biocomposites have shown that the glass transition temperature (Tg) of the polymer decreases as the boron content increases. 
TGA analyzes showed that residue percent increases with increase in boron content in the biocomposite, as the boron-added biocomposites were examined at temperatures of 350°C and 600°C and 20%, 40% and 60% mass loss, respectively. It has also been observed that the maximum temperature of the breakdown point of the boron doped nanocomposites is higher than that of the copolymers. It has been determined that the boron mineral gives thermal resistance to the copolymers and causes softening at the glass transition point.
Keratin was recovered with high efficiency from a natural source of industrial waste, and keratin-based polyacrylamide copolymers and colemanite-added biocomposites were prepared using recovered keratin. The obtained copolymers and biocomposites were found to have a homogeneous and permeable film structure. In the colemanite-added biocomposites, the antibacterial properties of the boron contained within the colemanite structure were observed to be transferred to the graft copolymers and it was also observed that the glass transition temperature of the films were reduced and the thermal durability improved.