Polietilenoksit (PEO) ve polivinilpirolidon (PVP)'un kimyasal ilgi profilleri ve karışabilirlikleri
Chemical affinity profiles and miscibilities of polyethylene oxide (PEO) and polyvinylpyrrolidone (PVP)
Yazar: MİRAY KOÇ
Danışman: PROF. DR. ALİ GÜNER
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Polivinilpirolidon (PVP) ve Polietilen glikol (PEG)/Polietilen oksit (PEO) karışımlarının uyumluluğu ve karışabilirliği, "benzer benzeri çözer" in matematiksel uygulamasının algoritmik bir yaklaşımı ile iki farklı çözücüde incelenmiştir. Kohezif enerji yoğunluğu/çözünürlük parametreleri, bunların alt-parametreleri ve PEO     (δT: 20.9 (j/cm3)1/2) ile PVP (δT: 22.8 (j/cm3)1/2)'in alt-parametre kombinasyonları Hansen' in atomik grup katkısı metodu ile hesaplanmıştır. Daha sonra bunların iki boyutlu (2D) ve üç boyutlu (3D) grafikleri, polimerlerin farklı çözücülerdeki çözünürlük/ilgi profilleri oluşturularak çizilmiştir. Algoritmik hesaplamaların sonucunda, karışım/çözücü sistemleri için, 1,4-dioxane (δT: 20.0 (j/cm3)1/2) en iyi çözücü olarak tespit edilirken, su (δT: 47.5 (j/cm3)1/2) en zayıf çözücü olarak tespit edilmiştir. Teorik hesaplamaların sonucunda da, PVP-PEO-1,4-dioksan sistemi, en uygun, uyumlu ve karışabilir eşler  olarak kabul edilmiştir.
Hansen' in yaklaşımına göre yapılan teorik hesaplamaların doğrultusunda, polimerler ve polimer-çözücü arasındaki spesifik etkileşimleri karakterize etmek için Fourier Dönüşümlü Kızılötesi (FTIR) spektroskopisi, X-ışını Kırınımı (XRD), Çözelti Kalorimetresi (TAM III – solcal) ve Dinamik Mekanik Analiz (DMA) kullanılmıştır.
FTIR, polimer karışımlarındaki etkileşimlerin boyut ve doğasını incelemede kullanılan bir seçim metodu olmuştur. H-bağı oluşumu, PVP-PEO karışımı hazırlandığında, moleküler seviyedeki iki molekül arasındaki dinamik etkileşimi değiştirmektedir ve bu değişimi izlemede IR metodu öncelikli olarak kullanılmaktadır. PVP ağırlıklı olarak azot üzerinden veya laktam halkası üzerindeki karbonil grubu yoluyla H-bağı oluşturma kapasitesine sahiptir. Bu da, frekansdaki değişikliklerin, etkileşen grupların bant genişliği ve bant kaymasına sebep olduğunu açıkca göstermektedir (C=O gerilme titreşimleri).
PVP' nin amorf yapısı ve PEO' in yarı-kristalin yapısı (2θ= ̃19° ve 24°), X-ışını kırınımı (XRD) ile doğrulanmıştır. Amorf polimerlerde görünmeyen keskin pikler, 1,4-dioksan içerisinde hazırlanan örneklerde kristalinite değişimleri ve keskin pik değişimleri etkin bir şekilde gözlenmiştir.
Çözünme ısısı, bütün çözünme işlemindeki her basamağa ait entalpilerin toplamını ifade etmektedir. ΔHS, Hess yasası ile,  başlangıç noktası  katı PVP, PEO ve PVP-PEO karışımı ve sonuç ürününün sudaki ve1,4-dioksandaki çözeltileri olmak şartıyla, bazı basamakların toplamı olarak bilinir. Esas ΔHS değişimi 1,4-dioksan içindeki PEO ve PEO-karışımlarında gözlenmiştir.
Polimerlerin ve polimer karışımlarının, dinamik mekanik özellikleri, camsı geçiş sıcaklıkları ve camsı geçiş sıcaklık değişimleri (ΔTg), Depolama modulus-T ve Türev depolama modulus-T ölçeği kullanılarak çalışılmış ve esas ΔTg değişimleri polimer karışımı-1,4-dioksan sisteminde gözlenmiştir.
Bununla beraber, nemin polimer örnekleri üzerindeki etkisi ve etkileşim dinamizmi de detaylı olarak incelenmiştir. Algoritmik hesaplamalar ve deneysel çalışmaların sonucunda, PEO-PVP çözücü karışımı sisteminde 1,4-dioksan en iyi çözücü olarak tespit edilirken su en zayıf çözücü olarak tespit edilmiştir.

Abstract:
Compatibility and miscibility of poly(N-vinylpyrrolidone) (PVP) and poly(ethylene glycol) (PEG)/Poly(ethylene oxide) (PEO) blends have been investigated by using an algorithmic approach as the mathematical application of the ''like dissolves like''  principal in two different solvents. The cohesive energy density/solubility parameters, their sub-parameters and sub-parameter combinations of PEO       (δT: 20.9 (j/cm3)1/2) and PVP (δT: 22.8 (j/cm3)1/2) have been evaluated by using atomic group contribution method of Hansen. Then their two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) graphs have been drawn by creating the solubility/affinity profiles of the polymers in different solvents. As a consequence of algorithmic calculations, 1,4-dioxane (δT: 20.0 (j/cm3)1/2) was determined to be the best solvent whereas, water (δT: 47.5 (j/cm3)1/2)  was found to be the weakest solvent for blend/solvent systems. As a result of theoretical calculations;   PVP-PEO-1,4-dioxane system has been considered as the most appropriate compatible and miscible partners.
In the light of theoretical calculations according to Hansen's approach; Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy, X-ray Diffraction (XRD), Solution Calorimetry (TAM III – solcal) and Dynamic Mechanic Analysis (DMA) were used to characterize the specific interactions between the polymers and polymer-solvent systems.
FTIR has been the method of choice to probe the nature and extent of interactions in polymer blends. H-bond formation, when PVP-PEO mixture is prepared, changes the interaction dynamics between the two molecules at the molecular level, which can be visualized by FTIR as the primary method. PVP is capable of forming an H-bond either through nitrogen or mainly the carbonyl group on the lactam ring. This will manifest itself as changes in the frequency, bandwidth and band shifts of interacting groups    (C=O stretching vibrations).  	
The amorphous nature of PVP and semi-crystalline nature of PEO (2θ= ̃19° and 24°), was confirmed by X-ray Diffraction (XRD). Crystallinity changes introduced of sharp peaks that were absent in case of amorphous polymer and the sharp peak changes were observed dominantly in samples prepared in 1,4-dioxane.
The heat of solution represents the sum of the enthalpies of each stage of the whole dissolution process. By Hess's Law, ΔHS may be interpreted as the sum of any number of steps, providing that starting point is the solid PVP, PEO and PVP-PEO blends and the end product is the solution in water and 1,4-dioxane. The major ΔHS change was observed in PEO and PEO-blends in 1,4-dioxane. 
The dynamic mechanical properties, glass transition temperatures (Tg) and glass transition temperatures differences (ΔTg) of polymers and their blends have been studied using Storage modulus-T and Derivative storage modulus-T scale and main ΔTg changes have been observed in polymer blend-1,4-dioxane system.
In addition, the influence of moisture on polymer samples and their interaction dynamism has also been analyzed in detail. As a consequence of algorithmic calculations and experimental studies, 1,4-dioxane has been determined as the best solvent whereas water was found to be the weakest solvent for the PEO–PVP-solvent blend system.