İyonlaştırıcı radyasyonla ksantan sakızı esaslı süper emici polimerlerin hazırlanması
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Hacettepe Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kimya A.B.D., Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2017
Tezin Dili: Türkçe
Öğrenci: HANDE HAYRABOLULU
Asıl Danışman (Eş Danışmanlı Tezler İçin): MURAT ŞEN
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
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.