Poli(vinil alkol)/kil nanokompozitlerinden hibrit hidrojel hazırlanması
Preparation of hybrid hydrogels based on poly(vinyl alcohol)/clay nanocomposites
Yazar: REZA ESGANDARZADEH
Danışman: PROF. DR. OLGUN GÜVEN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Kil/polimer nanokompozitlerinin ?nano dolgulu polimer kompozitler? oluşturması ve özelliklerinin geliştirmesi 1950?ler de başlanmış, ancak kullanım alanlarının artmasıyla endüstri ve akademide güncel bir konu haline gelmiştir. Takip eden yıllarda kil ve polimer zincirler arası etkileşimlerin incelenmesi ve bu etkileşimleri arttırarak polimere daha gelişmiş özellikler kazandırma amacıyla çalışmalar artmaktadır. Poli(vinil alkol) (PVA) sentetik bir polimer olarak toksik olmayan, suda çözünebilen, yüksek hidrofilik özelliğe sahip ve kolayca film haline dönüşen bir polimerdir ve yüksek su emme özelliğine sahip olarak endüstride geniş bir kullanım alanına sahiptir. Montmorillonit (MMT) ise doğal ve tabakalı bir kil olarak bu tür polimerlerin en popüler katkı malzemesidir. Bu tez çalışmasında PVA matriksine nano boyutlarda olan Na-MMT kili eklenerek NaMMT/PVA nanokompozit hibrit hidrojellerin elde edilmesi ve karakterizasyonu amaçlanmıştır. Bu tez çalışmasının ilk aşamasında çözeltilerin birleştirilmesi yöntemi kullanarak kütlece farklı oranlarda (%0, 2, 5, 7) Na-MMT/PVA karışımları hazırlanmıştır. Hazırlanan karışımlara dondurma ve çözme (freezing and thawing) işlemi uygulanmıştır. Sonunda karışımlar 60Co-? kaynağında 20 kGy ışınlanarak çapraz bağlı hibrit hidrojel filmleri elde edilmiştir. Sonraki aşamada hibrit hidrojel filmlerin nanokompozit oluşumunu ve yapısal karakterizasyonu XRD, TEM, AFM, PALS ve iiFTIR yöntemleri kullanarak gerçekleştirilmiştir. Deneylerin devamında hazırlanan hibrit hidrojel filmlerin jelleşme oranları ve şişme davranışları incelenmiştir. Son aşamada Na-MMT/PVA hibrit hidrojellerinin yapısal ve fiziksel özelliklerinin incelenmesi amacıyla, hazırlanan örneklere mekanik (Çekme-Uzama) ve termal (TGA) testler uygulanmış ve meydana gelen değişiklikler incelenmiştir.Na-MMT ve 20 kGy ışınlanarak hazırlanan PVA ve Na-MMT/PVA hibrit hidrojel film örneklerinin yapısal karakterizasyonu ATR-FTIR spektroskopisi ile yapılmıştır. 20 kGy ışınlanarak hazırlanan Na-MMT/PVA hibrit hidrojel film örneklerden kil katkısız PVA?ya ait olan spektrumun çıkarılmasıyla fark spektrumları elde edilmiştir. PVA matriksine %2, %5 ve %7 konsantrasyonlarda (ağırlıkça polimere göre) Na-MMT killeri eklenerek hazırlanan hibrit hidrojel film örneklerde kil miktarı arttıkça killerin karakteristik Si-O gerilme piklerinin şiddeti artmıştır.XRD ve TEM analizlerine göre hazırlanan hibrit hidrojel örneklerde başlıca yapraklanmış yapı gözlenmiş (%2 Na-MMT/PVA tam yapraklanmış) kil katkı miktarı arttıkça tabakalanmış yapıların oranı artmıştır (%5 ve %7 Na-MMT/PVA). AFM yöntemi kullanarak hazırlanan PVA, %2 ve %5 Na-MMT/PVA hibrit hidrojel örneklerin yüzeyleri taranmış, %2 ve %5 Na-MMT/PVA hibrit hidrojel film örneklerin yüzeyi kil katkısız PVA örneklerine göre daha az pürüzlü gözlenmiştir. PALS analizlerinden elde edilen verilere göre hazırlanan Na-MMT/PVA hibrit hidrojel örneklerin hem kristalin hem de amorf bölgedeki serbest hacim ortalama yarıçaplarında kil katkısız PVA örneklerine göre azalma gözlenerek daha kompakt yapıların oluştuğu anlaşılmıştır.Jelleşme ve şişme testlerinden elde edilen sonuçlara göre hibrit hidrojellerde (kil konsantrasyonu %2, %5 ve %7) kil katkısız PVA hidrojeline göre jelleşme yüzdelerinde artış ve denge yüzde şişme değerlerinde azalma gözlenmiştir. TGA (Termogravimetrik Analiz) analizlerinde PVA matriksine kil eklenerek hazırlanan NaMMT/PVA hibrit hidrojel örneklerin kil katkısız PVA örneklerine göre termal kararlık açısından olumsuz etkilenmediği görünmüştür. Mekanik testlerinden elde edilen sonuçlarda hazırlanan Na-MMT/PVA hibrit hidrojel örneklerin kil katkısız PVA örneklerine göre E-Modulüs değerlerinde (%2Na-MMT/PVA: +%206, %5NaMMT/PVA: +%300, %7Na-MMT/PVA: +%356) ve Akma Dayanımı değerlerinde (%2Na-MMT/PVA: +%7, %5Na-MMT/PVA: +%11.3, %7Na-MMT/PVA: +%12.23) artış gözlenerek hibrit hidrojel örneklerde mekanik özelliklerin iyileştiği anlaşılmıştır. Anahtar Kelimeler: Poli(vinil alkol), Montmorillonit, Polimer/Kil Nanokompozit, Hibrit Hidrojel.

Abstract:
Preparation and development nanofilled polymer composites from clay/polymer nanocomposite have been started in the 1950s and became a popular subject in parallel with increasing of applications in industry and academic studies. In the following years, studies are increasing to gain more specific and expanded properties of polymer/clay by enhancing the interaction between polymer chains and clay layers.Poly(vinyl alcohol) (PVA) is a polimer which is synthetic, non-toxic, water soluble, having high hydrophilic properties. It can easily be converted to film and has high water absorbtion attribute, so have reached vast application fields in industry. Montmorillonite (MMT) is a natural and layered clay which is the most popular filler of this kind of polymers.In this thesis we aimed to prepare and characterize Na-MMT/PVA hybrid hydrogel nanocomposites by adding nano size Na-MMT clay to PVA matrix.First at all (%0, 2, 5, 7) Na-MMT/PVA mixtures have been prepared by solution intercalation method with different mass ratios. Freezing and thawing processes were applied to prepared the mixtures. Then crosslinked hybrid hydrogel films were obtained by irradiating the mixtures to 20 kGy in 60Co gamma source.Then, formation of hybrid hydrogel film nanocomposites and nanocomposite structure were characterized XRD (X-ray diffraction), TEM (Transmission Electron Microscopy), AFM (Atomic Force Microscopy), PALS (Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy) and FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy).The gelation and swelling behaviour of hybrid hydrogel films were also investigated. At the last step, with the aim of investigating physical and thermal behaviour of Na-MMT/PVA hybrid hydrogels, mechanical (stress-strain) and thermal (TGA) tests were made and corresponding changes were studied in more details.The structural characterization of Na-MMT, 20 kGy irradiated PVA and Na-MMT/PVA hybrid hydrogel film samples were performed by ATR-FTIR spectroscopy. The spectral subtraction of clay-free PVA from 20 kGy irradiated Na-MMT/PVA hybrid hydrogel film samples results in a spectrum which shows that the intensity of characteristic Si-O stretching peaks were increased with an increase in clay amount for hybrid hydrogel film samples which is prepared by the addition of Na-MMT clays with concentrations of 2%, 5% and 7% (weight percentage-with respect to polymer) to the PVA matrix.According to XRD and TEM results, hybrid hydrogel samples with base exfoliated morphology (specially at %2Na-MMT/PVA) were observed. It is also found that the amount of intercalated Na-MMT in %5-7Na-MMT/PVA hybrid hydrogels is increased as clay ratio increased.In AFM measurements, surface of PVA and hybrid hydrogel samples (%2 ve%5 Na-MMT/PVA) were scanned. According to the results surface of hybrid hydrogel film samples (%2 ve%5 Na-MMT/PVA) were smoother than pure PVA samples.In PALS mesurements, crystalline and amorphous regions of the pure PVA showed decreased radius of free volume holes with the addition of clay. According to these results more compact structures were formed.The gelation percentage of hybrid hydrogel samples was observed to increase compared to pure PVA and in equilibrium percent swelling values of hybrid hydrogel samples were found to decrease compared to the pure PVA.In TGA experiments, it was observed that the thermal stability of clay contaning MMT/PVA hybrid hydrogel samples were not affected adversely with reference to clay-free PVA samples.In mechanic test measurements, Na-MMT/PVA hybrid hydrogel samples showed better E-Modulus values (%2Na-MMT/PVA: +%206, %5Na-MMT/PVA: +%300, %7Na-MMT/PVA: +%356) and Yield Stress values (%2Na-MMT/PVA: +%7, %5Na-MMT/PVA: +%11.3, %7Na-MMT/PVA: +%12.23) than pure PVA. According to the results, improvements were obtained in mechanic properties of composite samples.Keywords: Poly(vinyl alcohol), Montmorillonite, Polymer/Clay Nanocomposite, Hybrid Hydrogel.