İnorganik dolguların, hidrojellerin şişme davranışı ve mekanik özellikleri üzerindeki etkisinin incelenmesi
Investigation of effects of inorganic filling materials on hydrogels swelling behavior and mechanical properties
Yazar: GÜLŞAH YAŞAR
Danışman: PROF. DR. İSMAİL AYDIN ; YRD. DOÇ. DR. SELVA ÇAVUŞ
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Tez çalışması kapsamında, poliakrilamid PAAm homopolimer ve poli(Akrilamid-ko-Sodyum akrilat) P(AAm-ko-SA) kopolimer geleneksel çapraz bağlı hidrojelleri ile poliakrilamid/Bentonit PAAm/Bentonit homopolimer nanokompozit ve poli(Akrilamid-ko-Sodyum akrilat)/Bentonit P(AAm-ko-SA)/Bentonit kopolimer kompozit hidrojelleri ultra saf su içerisinde ammoyum persülfat/ N, N, N, N ?tetrametilethilendiamin (APS/TEMED) redoks başlatıcı çifti sistemi kullanılarak sabit orandaki N,N?-metilenbisakrilamid çapraz bağlayıcısı varlığında serbest radikal çapraz bağlanma polimerizasyonu yöntemi ile 30 °C'de 24 saatte hazırlanmıştır. Kompozit hidrojeller de geleneksel çapraz bağlı hidrojeller ile aynı yöntemle sentezlenmiştir. Geleneksel çapraz bağlı hidrojellerden farklı olarak, kompozit hidrojellerde farklı oranlarda bentonit kili kullanılmıştır. Çalışma kapsamında, vücut dokuları ve biyolojik sıvılar ile uyumlu olması nedeni ile akrilamid, yüksek su tutma kapasitesi nedeni ile de sodyum akrilat monomerleri kullanılmıştır. İnorganik dolgu maddesi olarak ise, doğal olarak bol miktarda bulunabilen, toksin özellik taşımayan ve hidrofilik yapısı nedeniyle bentonit kili tercih edilmiştir.Çalışmada toplam monomer konsantrasyonu 1M olarak sabit tutulmuştur. Homopolimer PAAm ve PAAm/Bentonit hidrojellerinde molce %100 akrilamid; kopolimer P(AAm-ko-SA) ve P(AAm-ko-SA)/Bentonit hidrojellerinde ise molce %90 akrilamid, %10 sodyum akrilat bileşimi kullanılmıştır. PAAm/Bentonit homopolimer ve P(AAm-ko-SA)/Bentonit kopolimer nanokompozit hidrojellerinde ise farklı oranlardaki inorganik dolguların (ağırlıkça %1, 3, 5 ve 10) hidrojellerin şişme davranışı, mekanik özellikleri ve termal dayanımları üzerine etkisi incelenmiştir. Hidrojellerin % jelleşme değerleri, ağ yapı özellikleri belirlenmiş ayrıca destile su içerisindeki şişme kinetiği ve difüzyon mekanizması türü, farklı pH tamponları içerisindeki (pH: 2,8; 5,3; 7,0; 10,0 ve 12,4) şişme davranışı gravimetrik yöntemle belirlenmiştir. Hidrojellerin malzeme karakterizasyonları, tek eksenli sıkıştırma test cihazı ve dinamik sıkıştırma test cihazı; yapısal karakterizasyonları Fourier Transform Infrared Spektroskopisi (FT-IR) yöntemi, morfolojisi X-Ray Differactometer (XRD) ve Taramalı Elektron Mikroskopisi (SEM) yöntemleri; termal karakterizasyonu ise Termal Gravimetrik Analiz (TGA) yöntemi kullanılarak yapılmıştır.Tez çalışması kapsamında sentezlenen tüm hidrojellerin % jelleşme oranları %100 değerinde bulunmuştur. Homopolimer hidrojellerde en yüksek şişme denge değerleri (Equilibrium Swelling Value) (ESV) geleneksel çapraz bağlı PAAm hidrojellerinde görülmüştür. P(AAm)/Bentonit nanokompozit hidrojellerinin ESV'leri ise artan kil oranı ile azalma göstermiştir. Kopolimer hidrojellerde ise ESV artan kil oranı ile artmakla birlikte, en düşük ESV, %5 bentonit oranının kullanıldığı kopolimer kompozit hidrojelinde belirlenmiştir. Kopolimer hidrojellerin ESV değerleri, homopolimer hidrojellere göre yaklaşık 10 kat yüksek bulunmuştur. Hidrojellerin şişme kinetikleri incelendiğinde, homopolimer hidrojellerin difüzyon mekanizması türü Fickian olarak bulunmuştur. Kopolimer hidrojellerde ise ağırlıkça %3 ve %5 bentonit kullanılan P(AAm-ko-SA)/B3 ve P(AAm-ko-SA)/B5 kompozit hidrojelin difüzyon mekanizması türü Durum II, diğer kopolimer hidrojeller ise Non-Fickian difüzyon mekanizması türü göstermişlerdir. Sentezlenen tüm hidrojellerin pH tamponları içerisinde en yüksek şişme denge değerleri bazik ortam olan pH: 12,4'de, en düşük şişme değeri ise pH: 2,8'de elde edilmiştir.Kompozit hidrojellerde inorganik dolgu olarak kullanılan bentonit kili, hidrojel ağ yapısı içerisine mikro ölçüde ve düzensiz olarak yerleşmiştir. Bentonitin yerleşimi XRD ölçümleri ve SEM görüntüleri ile desteklenmiştir. İnorganik dolgu mazemesinin bu şekilde yerleşiminden dolayı hidrojellerin şişme davranışları, mekanik özellikleri ve termal dayanımları, artan kil miktarı ile orantılı bir iyileşme göstermemiştir.Anahtar Kelimeler: Hidrojel, bentonit, nanokompozit, mekanik özellikler, şişme kinetiği, pH duyarlı

Abstract:
In this study, conventially crosslinked homopolymer and copolymer hydrogels polyacrylamide PAAm and poly(acrylamide-co-sodium acrylate) P(AAm-co-SA) were synthesized in ultra pure water by free-radical crosslinking polymerization using the ammonium persulphate/ N, N, N1, N1 ?tetramethyleneethylenediamine (APS/TEMED) redox-pair initiator system in the presence of fix amount of N,N?-methylenebisacrylamide (NMBA) crosslinker at 30 °C for 24 hour. Composite, PAAm/Bentonite and P(AAm-co-SA)/Bentonite hydrogels were synthesized by the same method with conventially crosslinked hydrogels. As distinct from CR hydrogels, different amounts of bentonite clay were used in NC hydrogels. In this study, acrylamide was chosen because of its biocompability with tissues and biological liquids and sodium acrylate was chosen because of its high water retention capability as monomers. We prefered bentonite as inorganic filling material because of its natural abundance and low cost, anti-toxic and hydrophilic nature.Total intial monomer concentration was kept constant at 1M. Acrylamide was 100 mole % of the total concentration in PAAm, PAAm/Bentonite homopolymer hydrogels. Acrylamide was 90 mole % and sodium acrylate was 10 mole % in P(AAm-co-SA) and P(AAm-co-SA)/Bentonite copolymer hydrogels. Effects of different ratios of bentonites (% weight 1, 3, 5, 10) on swelling behaviors, mechanical properties and thermal strengths of PAAm/Bentonite homopolymer and P(AAm-co-SA)/Bentonite copolymer composite hydrogels were investigated. Percentage of gelation and network structure properties of hydrogels were determined and also swelling kinetics and difusion mechanism type of hydrogels in distillated water and swelling behaviors in buffer solutions with different pH values (2,8; 5,3; 7,0; 10,0 and 12,4) were determined by gravimetric method. Material characterization of hydrogels were carried out by using uniaxial testing machine and dynamic testing machine; structural characterizations of hydrogels were performed using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR); morphological investigations were carried out using X-Ray Differactometer (XRD) and Scanning Electron Microscopy (SEM), and also thermal characterizations of hydrogels were investigated by using Thermal Gravimetric Analysis (TGA) methods.In this study, percentage of gelation of all the hydrogels was found about %100. For the homopolymer hydrogels, PAAm conventionally crosslinked hydrogel had the hightest value of the ESV. The equilibrium swelling value of PAAm/Bentonite composite hydrogels reduced with the increased of bentonite content in the hydrogels composition. For copolymer hydrogels, equilibrium swelling value increased with bentonite content in the hydrogel composition but lowest ESV was observed at P(AAm-co-SA)/Bentonite nanocomposite hydrogel. ESV of copolymer hydrogels was found 10 times higher than homopolymer hydrogels. When diffusion mechanism types of hydrogels investigated, diffusion mechanism type of homopolymer hydrogels were found to be Fickian. For copolymer hydrogels, P(AAm-ko-SA)/B3 and P(AAm-coSA)/B5 composite hydrogels containing %3 and 5% (w/w) bentonite respectively showed Case II diffusion mechanism type, other composite hydrogels showed Non-Fickian diffusion mechanism type. For all of the hydrogels, maximum equilibrium swelling value was found at basic media at pH: 12,4 and minumum equilibrium swelling value was found at asidic media at pH: 2,8.Bentonit clay that was used in nanocomposites hydrogels as inorganic filling material, was observed to be dispersed in hydrogel?s network as micro dimensions irregularly. The structural morphology of bentonite was supported by XRD measurements and SEM images. There was no sistematic improvement of swelling behavior, mechanical properties and thermal strength values of hydrogels due to the nonhomogenous dispersion of the used inorganic filling material with the increasing of clay content.Key words: Hydrogels, bentonite, nanocomposite, mechanical properties, swelling kinetics, pH sensitive.