İyonlaştırıcı radyasyonla ksantan sakızı esaslı süper emici polimerlerin hazırlanması
Preparation of xanthan gum based super absorbent polymers by ionizing radiation
Yazar: HANDE HAYRABOLULU
Danışman: PROF. DR. MURAT ŞEN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Bu çalışmanın temel amacı, ksantan sakızı (KS) doğal polimerini içeren çapraz bağlanmış ve süper emici özellik gösteren jellerin iyonlaştırıcı ışınlarla hazırlanması için en uygun ışınlama doz hızı, ışınlama dozu, optimum polimer derişimi ve çapraz bağlanmayı gerçekleştirecek yardımcı kimyasalların tipi ve derişiminin belirlenmesi ve elde edilen hidrojellerin günümüzde ticari olarak kullanılan, sentetik esaslı süper emici polimerlerin (SEP) yerine kullanılabilirliğinin incelenmesidir. 
Birçok polisakkarit doğal polimerin sentetik bir monomer ile hassaslaştırıcı bir kimyasal varlığında veya pasta kıvamı olarak isimlendirilen koşullarda ışınlandığında çapraz bağlanabildiği görülmüştür. Ancak bu çalışmada incelenen, gıda endüstrisinde yaygın olarak kullanılan ve glikoz ya da sakarozun fermantasyonundan elde edilen bir polisakkarit olan KS'nin iyonlaştırıcı ışınlarla etkileşimi, çapraz bağlanması ve SEP'lerinin hazırlanması konusunda yapılmış kapsamlı bir çalışma bulunmamaktadır. Bunların yanı sıra, bir polimerin molekül ağırlığının belirlenmesi için gerekli en önemli parametrelerden biri olan, çeşitli çözücü sistemlerindeki Kuhn-Mark-Houwink-Sakurada (KMHS) sabitleri de ksantan sakızı için tek bir çözücü ve düşük sıcaklık ile sınırlıdır.  Tüm bu nedenlerle, bu tez çalışmasında öncelikle iyonlaştırıcı ışınların KS polimeri üzerindeki etkisi incelenmiştir. Bu amaçla farklı koşullarda (toz halinde ve farklı derişimlerdeki çözeltiler halinde), farklı doz hızı ve dozlarda ışınlanmış ksantan örneklerinin kimyasal yapısındaki ve zincir yapısındaki temel değişiklikler spektroskopik, kromatografik ve reolojik analizlerle araştırılmıştır. Spektroskopik analizler, iyonlaştırıcı radyasyonun ksantan zincirleri üzerinde oluşturduğu temel etkilerin ana zincir üzerinden gerçekleştiğini göstermiştir.
Molekül ağırlığında meydana gelen değişimlerin incelenebilmesi amacıyla öncelikle TÜBİTAK'ın 2214-A Doktora Sırası Araştırma Bursu kapsamında, Glyndwr Üniversitesi, Glyn O. Phillips Hydrocolloids Araştırma Merkezi'nde bulunan Büyüklükçe Ayırma Kromatografisi-Çok Açılı Lazer Işık Saçılması (BAK-ÇALIS) sistemi kullanılarak yapılan mutlak molekül ağırlığı tayini ve viskozite ölçümleri ile elde edilen sonuçlarla KS'nin çeşitli çözücü sistemlerindeki ve BAK analizleri için gerekli sıcaklıktaki KMHS sabitleri hesaplanmıştır. Buradan elde edilen sonuçlarla gerçekleştirilen BAK analizleri ise, iyonlaştırıcı radyasyonun ksantan üzerindeki temel etkisinin zincir kesilmesi olduğunu göstermiştir. BAK analizleriyle elde edilen ortalama molekül ağırlıkları kullanılarak hesaplanan zincir kesilme verimi (G(S)) değerleriyle ışınlama doz hızının ve dozunun etkisi yorumlanmıştır. Elde edilen sonuçlar, katı halde düşük doz hızında ışınlanan ksantan sakızının zincir kesilme veriminin oksidatif bozunmaların daha fazla meydana gelmesi nedeniyle daha yüksek olduğunu göstermiştir. Farklı derişimlerde çözeltiden yapılan ışınlamalarda ise zincir kesilmelerinin ışınlanan çözelti derişimine oldukça bağlı olduğu ve daha seyreltik çözeltilerde, ışınlama sonucu oluşan suyun radyoliz ürünleri derişiminin daha yüksek ve dolayısıyla radikal yoğunluğunun daha yüksek olması nedeniyle zincir kesilmelerinin daha fazla olduğu belirlenmiştir. 
Radyasyonun KS'nin akış özelliklerine etkisinin incelenmesi amacıyla ışınlanmamış ve katı halde ışınlanmış KS çözeltileriyle yapılan reolojik analizler sonucu elde edilen akış eğrileri için hesaplanan Üstel Yasası Model Parametreleri, ksantanın molekül ağırlığı azaldıkça, akış davranışının kayma incelmesinden Newtonsal akış davranışına yaklaştığını göstermiştir. 
İyonlaştırıcı radyasyonun KS'ye etkisinin detaylı incelemesinin ardından, KS esaslı hidrojellerin hazırlanması için doğal polimerlerin iyonlaştırıcı radyasyonla çapraz bağlamasını sağlayan yöntemler denenerek en uygun yöntem belirlenmiştir. Bu amaçla, KS ile pasta kıvamı olarak isimlendirilen çok derişik çözeltiler halinde, hassaslaştırıcı CCl4 varlığında ve asetilen gazı varlığında farklı doz hızlarında ve dozlarda ışınlamalar yapılmıştır. Sol-jel analizleri ile hidrojel oluşumuna doz ve doz hızının etkisi belirlenmiştir.  Bahsedilen bu 3 yöntemle istenilen oranda jelleşme ve şişme elde edilememesi sebebiyle, yüksek oranda jelleşme ve şişme gösteren jellerin hazırlanabilmesi amacıyla, doğal polimerlerden SEP'lerin hazırlanmasına imkan sağlayan bir başka yöntem olan doğal/sentetik polimer karışımı kullanılarak SEP'lerin hazırlanmasına karar verilmiştir. Bu amaçla önce karışımda kullanılacak KS/akrilik asit sodyum tuzu oranı, çapraz bağlayıcı madde miktarı, ışınlama dozu ve hızı için optimum koşulların belirlenmesine çalışılmıştır. Yapılan optimizasyon ve ışınlamalar sonunda elde edilen hidrojellerin sol-jel analizleri KS esaslı SEP'lerin sentezlenebildiğini göstermiştir. Serbest halde, saf sudaki (~%37000) ve suni idrar çözeltisindeki (~%3200) en yüksek denge şişme değeri %83,30 AAcNa-%15,87 KS-%0,83 çapraz bağlayıcı (ÇB) içeren örnekle elde edilmiştir. Bu değer karşılaştırma amacıyla kullandığımız ticari SEP örneğinin aynı koşullardaki maksimum denge şişme değerinden (saf suda ~%26000, suni idrarda ~%3100 ) oldukça yüksektir. Daha sonra, Avrupa Standartları tarafından belirlenen test koşullarında hidrojellerin yük altındaki sıvı absorplama kapasiteleri ve süreleri incelenmiş ve denge şişme seviyesine 10-15 dk 'lık zaman aralığında ulaşıldığı belirlenmiştir. Bu süreler, ticari SEP için de aynı seviyededir.
Daha sonra gerçekleştirilen mekanik ve reolojik analizler ile KS/AAcNa hidrojellerinin çapraz bağ yoğunluğu, çapraz bağlar arasındaki ortalama molekül ağırlığı (Mc) ve bu parametrelere bağlı olarak değişen göz büyüklüğü (mesh size) gibi temel ağ yapısı parametreleri hesaplanarak ağ yapısı karakterizasyonu yapılmıştır. 
Bu karşılaştırmalı çalışmaların sonunda ksantan polimerinden iyonlaştırıcı radyasyonla hijyen ürünlerinde kullanılabilecek SEP'lerin hazırlanması için optimum sentez koşulları belirlenmiş ve hazırlanan hidrojellerin ticari olarak kullanılan sentetik bazlı SEP'ler yerine yüksek emicilik özelliğine sahip ksantan sakızı esaslı SEP'lerin radyasyon teknolojisi kullanılarak hazırlanabileceği kanıtlanmıştır.

Abstract:
The main purpose of this study is to determine the optimum irradiation dose rate, dose, polymer concentration, the type and concentration of the chemicals that will affect the crosslinking process and to investigate the usability of the obtained natural polymer (xanthan gum) based hydrogels as a potential substitute of commercially available synthetic polymer based SAPs.
It has been determined that many polysaccharides can be cross-linked with a synthetic monomer in the presence of a sensitizing chemical or when irradiated under conditions called paste like state. However, there is no comprehensive study of the interaction, cross-linking and preparation of superabsorbent polymers with ionizing radiation of xanthan gum, which studied in this work, a polysaccharide commonly used in the food industry, which obtained through fermentation of glucose or sucrose. In addition to these, the Kuhn-Mark-Houwink-Sakura (KMHS) constants in various solvent systems, one of the most important parameters for determining the molecular weight of a polymer, are limited to a single solvent and low temperature for xanthan gum in literature.  
For these reasons, in this study, first, the effect of ionizing radiation on pure xanthan gum was investigated. The fundamental changes in chemical structure and chain structure of xanthan gum irradiated at different conditions (in the powder form and in solution form with various concentrations) were investigated by spectroscopic, chromatographic and rheological analyzes. Spectroscopic analyzes have shown that the main effects of ionizing radiation on xanthan gum occurred on main chain. 
In order to investigate changes in molecular weight, first, the Gel Permeation Chromatography-Multi Angle Laser Light Scattering (GPC-MALLS) system, which is located in Glyndwr University, Glyn O. Phillips Hydrocolloids Research Center has been used in the scope of 2214-A Doctoral Research Scholarship provided by The Scientific and Technological Research Council of Turkey (TUBITAK). The KMHS constants of xanthan gum in various solvent systems and at the temperature required for GPC analysis were calculated with the results obtained by absolute molecular weight determination and viscosity measurements carried out within the scope of Doctoral Research Scholarship.
Analyzes carried out by chromatographic methods have shown that the basic effect of ionizing radiation on xanthan is chain scission. The effects of irradiation dose rate and dose were interpreted by the chain scission yield (G(S)) values, calculated using the average molecular weights obtained by GPC analyzes. The results obtained show that, the G(S) values of xanthan gum irradiated at low dose rate in powder form is higher because of more oxidative degradation reactions. In the case of irradiations carried out in solution form at different concentrations, it was determined that the chain scissions were highly dependent on the irradiated solution concentration and that in the more dilute solutions, the chain scissions were higher as a result of higher concentration of radiolysis products of water, and therefore, higher radical concentration.
To investigate the effect of radiation on the flow properties of xanthan gum, Power Law Model parameters were calculated for the flow curves obtained from rheological analyzes carried out with non-irradiated and irradiated XG solutions. The results obtained show that xanthan approaches the Newtonian flow behavior from Shear Thinning flow behavior as the molecular weight decreases.
After a detailed investigation of the effect of ionizing radiation on xanthan gum, optimum processing conditions for the preparation of xanthan based hydrogel systems with ionizing radiation have been determined. For this purpose, first, Xanthan gum was irradiated at different dose rates and dose values in very concentrated solutions, called as paste like conditions. The irradiation experiments were also followed by two different techniques, which provide to obtain hydrogels from natural polymers using ionizing radiation (in the presence of CCl4 called as sensitizer and cross-linking agent acetylene) at different dose rates and doses. The effect of irradiation dose and dose rate was determined by sol-gel analyses. Since the desired gelation and swelling ratios could not be obtained by using these 3 methods (at paste like condition, in the presence CCl4 and acetylene gas), a different technique was followed to obtain hydrogels from natural polymers which is based on natural/synthetic polymer mixtures. For this purpose, first the ratio of xanthan gum/acrylic acid sodium salt, the amount of cross linker and the optimum dose rate and dose was determined. Sol-gel analysis of hydrogels obtained showed that xanthan gum-based SAPs could be synthesized with the desired high swelling ratios. In the free state (no applied load), the highest equilibrium swelling value in pure water (~ 37000%) and artificial urine solution (~ 3200%) was obtained with the sample containing 83.31% AAcNa-15.87% XG- 0.83% cross-linker. This value is significantly higher than the maximum equilibrium swelling value (26000% in pure water, ~ 3100% in artificial urine) of the commercial SAP sample we used for comparison. Subsequently, the liquid absorption capacities and durations of the hydrogels under load were examined in the test conditions determined by the European Standards. It was determined that the equilibrium swelling level was reached within the time interval of 10-15 min. These durations are similar for the commonly used commercial SAP sample we used for comparison. 
The mechanical and rheological analyzes of the XG/AAcNa hydrogels were then performed to characterize the network structure by calculating the basic network structure parameters such as cross-link density, average molecular weight between cross-links (Mc) and mesh size.
At the end of these comparative studies, the optimum conditions for the preparation of Xanthan based SAPs by using radiation technology were determined and it was concluded that the hydrogels synthesized in this study could be used as environmentally friendly alternatives for synthetic based SAPs in the market.