İki farklı uyarıcıya duyarlı polimer jellerin sentez ve karakterizasyonu
Synthesis and characterizations of two stimuli sensitive polymer gels
Yazar: İLKNUR KÜÇÜK
Danışman: DOÇ. DR. ABDÜLKADİR KUYULU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2001
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Hidrojen iyon konsantrasyonu = Hydrogen-ion concentration ; Jeller = Gels ; Polimer jel = Polymer gel ; Polimerler = Polymers ; Sıcaklık = Temperature ; Şişme davranışı = Swelling behavior

Özet:
Günümüzde uyarıcılara duyarlı polimer jeller, endüstriyel uygulamalar için düşük enerji ihtiyaçlarına bağlı olarak ayırma proseslerinde kullanılan klasik yöntemlere akematiflerdir. Uyarıcı olarak sıcaklığa duyarlı ve sıcaklık değişimine cevap verebilen jeller redoks başlatıcı sistemleri kullanılarak, hidrofilik ve akrilat bazlı monomerlerin düşük sıcaklık polimerizasyonlan ile hazırlanmaktadır. Sıcaklığa duyarlı olup 33-34 °C sıcaklık aralığında şişen ve büzülen N-isopropilakrilamid polimeri, değişik polimerizasyon yöntemleri ile blok veya partikül formunda elde edilebilmekte fakat türevlendirilebilecek fonksiyonel gruplar içermemektedir. Bu çalışmada, N-isopropilakrilamid (Nipa), 2-hidroksimetilmetakrilat (Hema), akrilik asit (AA), akrilarnid (AAm) monomerleri kullanılmış, böylelikle elde edilen jellere fonksiyonel gruplarda sokulmuştur. Potasyum persülfat (KPS)-Tetiametüetilendiamin (TEMED) redoks başlatıcı sistemi monomer karışımlarına uygulanarak, düşük sıcaklık polimerizasyonu ile sıcaklığa duyarlı Nipa esaslı poli(Nipa-AA), Poli(Nipa-Hema), hem sıcaklığa hem de pH a duyarlı Poli(Nipa-Hema-AAm) jelleri elde edilmiştir. Çapraz bağlayıcı olarak N,N,N,N- Metilenbisakrilamid (MBAM) kullanılmıştır. Sentezlenen jellerin farklı karakterdeki çözelti sistemlerindeki sıcaklığa ve pH a bağımlı şişme ve büzülme davranışları ve denge absorpsiyonlan zamanın fonksiyonu olarak incelenmiştir. Çözelti sistemleri olarak; su, etil alkol-su, N^-DrmetiJasetamid (NDMAM), N,N-Dimetilasetamid-su, etil asetat - su, pH=4 ve pH=10 tampon çözeltileri kuUamlmışur. Jellerin bileşimindeki monomerlerin oram, çapraz bağlayıcı miktarı ve akrilik asidin nötralizasyon derecesi değiştirilerek absorpsiyonda, şişme ve büzülme davranışındaki değişimleri ve jelin bileşiminin çözelti sistemlerindeki ayırma davranışına etkisi incelenmiştir. Polimerizasyon koşullarının ve ayırmadaki davranışının incelenmesi amacıyla ortamda kullanılan seyreltici polietilen glikol (PEG) derişimi ve molekül ağırlığı değiştirilmiştir. Ortamda seyreltici olarak PEG200, PEG1500 ve PEG4000 kullanılmış, jelin geçiş davranışına ve ayırma faktörüne etkisi incelenmiştir. Sıcaklığa duyarlı olan poli(Nipa-Hema) jellerinin, NDMAM-su çözelti sisteminde çözelti bileşimine duyarlılık gösterdiği belirlenmiştir. Bu jellerin etil alkol-su çözelti sisteminde etil alkole seçimli davrandığı ve jelin bileşiminin seçicilik davranışını etkilediği belirlenmiştir. Jelin sentezlenmesi esnasında ortamda bulunan PEG'in molekül ağırlığının poli(Nipa-Hema) jellerinin şişme ve büzülme davranışını etkilediği görülmüştür. Sıcaklığa duyarlı olan poli(Nipa-AA) jellerinin, etil alkol-su çözelti sistemindeki seçimlilik davranışının akrilik asidin nötralizasyon derecesinden etkilendiği görülmüştür. Poli(Nipa-AA) jellerinin etil asetat-su çözeltüerinin çözelti büeşfminde değişime neden olmamıştır. Akrilik asidin nötralizasyon derecesinin bu jellerin şişme ve büzülme davranışını etkilediği görülmüştür. Sıcaklık ve pETa duyarlı olan poli(Nipa-Hema-AAm) jellerinin etil alkol-su çözelti sisteminde etil alkole, etil asetat-su çözelti sisteminde ise suya seçimlilik gösterdikleri, jel bileşiminin ve polimerizasyon sırasında ortamda kullanılan PEG' in jelin seçicilik davranışını etkilediği görülmüştür. IX

Abstract:
Depending on the lower energy demands of today, stimuli-responsive sensitive polymer gels are alternatives to conventional methods which are used in separations processes for industrial applications. Temperature sensitive gels which can respond to temperature changes can be prepared using redox-initiator system and hydrophilic and acrylic monomers via lower temperature polymerization. Temperature sensitive N-isopropylacrylamide gels swell and deswell at 33-34 °C and they and it can be prepared as block or particule forms without functional groups for derivatizing. In this study, N-isopropylacrylamide (Nipa), 2-hydroxyethylmethacrylate (Hema), acrylic acid (AA), acrylic amid (AAm) were used as monomers. During polymerization potassium persulfate and Tetramemylethylendiamine (TEMED) were added to monomers mixture as a redox iniator system and temperature sensitive gels poly(Nipa-Hema), poly(Nipa-AA), pH and temperature sensitive gels poly(Nipa-Hema-AAm) were synthesized. N,N,N,N methylenebisacrylamide (MBAM) was used as the crosslJnking agent. Depending on temperature and pH, swelling, deswelling and equilibrium absorption behaviors of the synthesized gels in different mixture systems were investigated as a function of time. Water, ethyl alcohol-water, ethyl acetate - water, N,N-Dimethyacetamide (NDMAM), N,N Dimethy acetamide-water, pH=4 and pH=10 tampon mixtures were used as mixture systems. Variations in the absorption, swelling and deswelling behavior of the above mentioned gels in above mentioned mixtures were investigated due to the changes in tile ratio of monomers in gel composition, amount of crosslinking agent and neutralization degree of acrylic acid. Effect of the gel composition to its selective absorption in the mixtures was also investigated. In addition the concentration and the molecular weight of the poly(ethylene glycol) (PEG), use to obtain porous structures during polymerization, were varied to determine its effect on the swelling, deswelling and the separation behaviors of the gels. It was observed that temperature sensitive poly(Nipa-Hema) gels were sensitive composition variations in NDMAM-water mixture systems. These gels were selective to alcohol in ethyl alcohol-water mixtures and its selectivity behaviour was affected by the gel composition. It was also observed that molecular weight of the PEG affected the swelling and deswelling behaviours of poly(Nipa-Hema) gels. It was observed that selectivity behaviour of temperature sensitive poly(Nipa-AA) gels in ethyl alcohol-water mixtures were effected by neutralization degree of acrylic acid. Poly(Nipa-AA) gels do not cause any composition change in ethyl acetate-water mixture via absorption. Swelling and deswelling behaviours of poly(Nipa-AA) gels were effected by the neutralization degree of acrylic acid. Temperature and pH sensitive poly(Nipa-Hema-AAm) gels were found to be selective to alcohol in ethyl alcohol-water mixture and were selective to water in ethyl acetate-water mixture. Selectivity behaviour of the gels were affected by the gel composition and molecular weight of PEG's used during polymerization.