Pickering emülsiyonlar ile hiyerarşik makrogözenekli polimer kompozitlerinin hazırlanması ve fotokatalitik uygulamaları

Abstract

Son yıllarda gözenekli polimer kompozitleri geniş yüzey alanları, yüksek kimyasal dayanımları, geçirgenlik özellikleri ve düşük yoğunlukları sebebiyle oldukça büyük ilgi çekmektedir. Bu malzemelerin pek çok alanda kataliz, filtrasyon, adsorpsiyon, ve sensörler, v.b. gibi sayısız uygulamaları mevcuttur. Bu nedenle de farklı proseslerle bu malzemelerin hazırlanması sıklıkla araştırmaların odağında yer almaktadır. Bu kapsamda, bu tez çalışmasının konusu heterojen fotokataliz uygulamaları için yeni türde makrogözenekli polimer kompozitlerinin hazırlanmasına yoğunlaşmıştır. Bu amaçla, Pickering yüksek iç fazlı emülsiyonlar (Pickering High Internal Phase Emulsion, Pickering-HIPE) hiyerarşik gözenekli polimer ağları oluşturmak üzere kalıp olarak kullanılmıştır. HIPE'ler yüksek oranda iç faz (veya dispers faz) içeren konsantre emülsiyonlardır. HIPE'lerin sürekli fazının veya her iki fazının birden monomer(ler) içermesi durumunda poliHIPE olarak adlandırılan hiyerarşik makrogözenekli polimerler elde edilebilir. HIPE'ler genellikle koalesansa karşı yüksek oranlarda emülgatörler kullanılarak kararlı hale getirilir. Ancak nanopartiküller kullanılarak da HIPE'lerin kararlılığının sağlanması mümkündür. Bu durumda oluşan emülsiyon ve polimer sırasıyla Pickering-HIPE ve poli-Pickering-HIPE olarak adlandırılır.Bu tez çalışmasında yüzey modifiye TiO2 nanotanecikleri kullanılarak makrogözenekli polimer kompozitleri geliştirilmiştir. Bu amaçla, halka açılması metatez polimerizasyonu (Ring Opening Metathesis Polymerisation, ROMP) ile disiklopentadien (DCPD) esaslı Pickering-HIPE'lerden poli-Pickering-HIPE kompozitleri hazırlanmıştır. Ardından elde edilen polimer kompozitlerinin morfolojik, mekanik ve ısıl özellikleri nanopartikül miktarı değiştirilerek araştırılmıştır. Buna ek olarak, polimer zincirlerinin oksidatif bozunmasını önlemek amacıyla HIPE formülasyonlarına geleneksel bir antioksidant katılmış ve elde edilen poli-Pickering-HIPE'lerin oksidatif kararlılığı mekanik özelliklerinin değişimi gözlemlenerek araştırılmıştır. Elde edilen poli-Pickering-HIPE kompozitlerinin fotokatalitik aktivitesi 4-nitrofenolün (4-NP'nin) heterojen fotokatalitik bozunma reaksiyonunun incelenmesi ile belirlenmiş ve büyük-ölçekli fotoreaktörlerde kullanılabilecek kinetik bir ifade türetilmiştir.Anahtar Kelimeler: emülsiyon kalıplama, yüksek iç fazlı emülsiyon (HIPE), Pickering-emülsiyon, poli-Pickering-HIPE, heterojen fotokatalitik bozunma

In recent years, highly porous polymer composites are attracting considerable interest due to their large surface area, high chemical resistance, permeability properties, and low densities. These materials have numerous applications in many fields such as catalysis, filtration, adsorption, sensors, etc. For this reason, preparation of such materials with different processes is frequently in focus of research. In this context, the subject of this thesis has been focused on the preparation of novel macroporous polymer composites for heterogeneous photocatalysis applications. With this aim, Pickering high internal phase emulsions (Pickering-HIPEs) have been used as templates to build hierarchical porous polymer networks. HIPEs are concentrated emulsions consisting of a high ratio of internal phase (or dispersed phase). In case of either one or both phases of a HIPE contain monomer(s) hierarchical macroporous polymers named `polyHIPEs` can be produced. HIPEs are usually stabilised by using relatively high amounts of emulsifiers coalescence. However, it is also possible to stabilise HIPEs with the use of nanoparticles. In this case, the resulting emulsion and the polymer are named as Pickering-HIPE and poly-Pickering-HIPE, respectively.In this thesis study, with the use of surface modified TiO2 nanoparticles macroporous polymer composites have been developed. To this end, poly-Pickering-HIPE composites have been prepared from dicyclopentadien (DCPD) based Pickering-HIPEs by using ring opening metathesis polymerization (ROMP). Afterwards, the morphological, mechanical and thermal properties of the resulting polymer composites have been investigated by varying the used nanoparticle amount. Moreover, in order to prevent oxidative degradation of the polymer chains a conventional antioxidant was introduced into the HIPE formulations and oxidative stability of the obtained poly-Pickering-HIPEs have been investigated by observing the change in mechanical properties. Photocatalytic activity of the resulting poly-Pickering-HIPE composites was determined by investigating the kinetics of the heterogeneous photocatalytic degradation reaction of 4-nitrophenol (4-NP) and a kinetic expression, which can be used in the development of large-scale photocatalytic reactor has been obtained. Keywords: emuslion templating, high internal phase emulsion (HIPE), Pickering-emulsion, poly-Pickering-HIPE, heterogenous photocatalytic degradation