Poliakrilamid jellerinin sentez şartları ve ağ yapı özellikleri arası ilişkiler

Abstract

POLİAKRİLAMİD JELLERİNİN SENTEZ ŞARTLARI İLE AĞ YAPI ÖZELLİKLERİ ARASI İLİŞKİLER Nurgül Kalyoncu BALIMTAŞ Anahtar kelimeler: Serbest radikal polimerizasyonu, çapraz bağlı polimerizasyon, polimerik jeller hidrojeller, poliakrilamid jelleri, jellere çözücü difüzyonu, şişme derecesi, çapraz bağ yoğunluğu ÖZET : Bu çalışmada hidrofılik jellerin (hidrojellerin) sentez şartlan ile özellikleri arası ilişkileri aydınlatmak amacı ile bir seri hidrojel elde edilmiştir. Hidrojeller, akrilamid (AAm) monomeri ve sodyum akrilat (NaAc) iyonik komonomeri ile N,N'- metilenbisakrilamid (BAAm) çapraz bağlayıcısının amonyum persulfat (APS) / - N,N,N',N'-tetrametiletilendiamin (TEMED) başlatıcı sistemi yardımı ile oda ısısında polimerleştirilmesi ile elde edilmiştir. Sentezlenen jellerin çapraz bağlayıcı (BAAm) ve iyonik komonomer (NaAc) miktarlarına bağlı olarak suda şişme oranlan ve su emme hızlan saptanmıştır. Diğer yandan jel sentezleri sırasında ortama çeşitli oranlarda izopropil alkol (İP A) zincir transfercisi olarak ilave edilerek İPA' nın jel özelliklerine etkisi araştırılmıştır. Polimerlere çözücü difüzyon mekanizmasının aydınlatılması amacı ile farklı sentez şartlarında elde edilen poliakrilamid jellerine çözücü transfer prosesi de bu çalışma kapsamında incelenmiştir. Deneysel sonuçlar düşük BAAm konsantrasyonlarında sentezlenen ve iyonik olmayan poliakrilamid (PAAm) jellerinin şişme hızlarının yüksek olduğunu ve fazla miktarda su emdiklerini göstermiştir. Jel sentezinde iyonik komonomer olarak NaAc monomerininde kullanılması ile elde edilen iyonik PAAm jelleri artan NaAc miktarı ile su içerisinde daha fazla.şişmekte ve % 31 NaAc içeren jelin bir gramı yaklaşık 800 g su emebilmektedir. Jellerin şişme derecelerinden ve Flory denklemi yardımı ile hesaplanan çapraz bağ yoğunluktan sentez sırasında kullanılan çapraz bağlayıcı BAAm'ın ancak % 20 lik bir kısmının etkin çapraz bağlar verdiğini ve geriye kalan kısmının halka oluşum reaksiyonlarına harcandığını ortaya koymuştur. Diğer yandan jel sentezleri sırasında ortama zincir transfercisi olarak IPA ilavesi jellerin gerek şişme hızlannı ve gerekse şişme oranlarını arttırmıştır. Flory ve Mayo denklemleri yardımı ile yapılan hesaplamalar, IPA / AAm mol oranın 0,2 nin altında olduğu reaksiyon şartlarında oluşan jelin çapraz bağ yoğunluğunun sabit kaldığını, IPA miktarının daha da artışı ile çapraz bağ yoğunluğunun sürekli olarak düştüğünü göstermiştir. Dinamik şişme ölçümleri yardımı ile iyonik grup içermeyen jellere su difüzyonu prosesinin Fick yasasına uygun ilerlediği saptanmıştır. PAAm jellerine iyonik grupların eklenmesi ile jellere çözücü difüzyonu mekanizmasının değiştiği ve su difuzyonunun literaturda `anormal çözücü difüzyonu` olarak adlandırılan mekanizmaya göre ilerlediğini ortaya koymuştur.

RELATIONSHIP BETWEEN THE SYNTHESIS CONDITONS AND NETWORK PROPERTIES OF POLYACRYLAMIDE GELS Key Words : Polymer gels, hyrogels, polyacrylamide gels, free-radikal polymerization, crosslinking polymerization, solvent diffusion into the gels, swelling, crosslink density ABSTRACT: In this study, a series of hydrophilic gels called hyrogels were prepared in order to clarify the relationships between their synthesis conditions and swelling properties. Hydrogels were prepared at room temperature by radical copolymerization of acrylamide (AAm ) monomer, sodium acrylate (NaAc) ionic comonomer, and N,N'- methylenebis(acrylamide) (BAAm) croslinkinker in the presence of ammonium persulfate (APS) / N,N,N/N'-tetramethylenediamine (TEMED) iniator system. Swelling ratios of the hyrogels thus obtained as well as their swelling rates in water were measured and the dependence of the swelling properties on the amounts of the crosslinker BAAm and the ionic comonomer NaAc used in the jel synthesis was studied. Moreover, various amounts of isopropyl alcohol (IP A) as a chain transfer agent were included into the polymerization system and the influence of IP A on the gel properties was studied. To clarify the mechanism of solvent diffusion into the hydrogels, dynamic swelling experiments were also carried out within the framework of this study. Experimental results showed that non-ionic polyacrylamide (PAAm) gels prepared at low BAAm concentrations exhibit relatively high swelling rates and swelling ratios in water. Addition of NaAc into the polymerization system further increase the swelling ratios of PAAm gels. It was found that one gram of the gel prepared at 31 % NaAc concentration absorb about 800g of water. The crosslink densties of the hyrogels calculated from their swelling ratios and by use of Flory's swelling equation were found to be much less than the values found from the amunts of the crosslinker BAAm used in the gel synthesis. It was shown that only 20 % of BAAm used in the feed form effective crosslinkages, whereas the rest was consumed by cyclization reactions. Moreover, addition of IPA into the reaction system as a chain transfer agent increased both the swelling ratios and the swelling rates of PAAm gels. Calculations using the Flory and Mayo equations indicated that the crosslink density of the Flory and Mayo eguations indicated that the crosslink density of the gels remains constant for IPA / AAm mole ratio < 0,2, whereas it decreases continously on rising the IPA concentration above this value. Dynamic swelling experiments showed that water diffusion into the non-ionic PAAm gels proceeds according to the Fick's law of diffusion. However, including ionic units into the hydrogel structure changes the mechanism of solvent diffusion into the gels according to a mechanism called in the literature as `anormal solvent diffusion`.