Konvansiyonel Ve Kontrollü Radikal Polimerizasyonları İçin Yarıiletken Nanoparçıkların Heterojen Fotobaşlatıcı Olarak Kullanımı

Abstract

Son zamanlarda nanoboyutta yapılan malzemeler (nanoparçacık), akademik olarak oldukça araştırılmış olup endüstriyel olarak da geniş kullanım alanına sahiptir. Yarıiletken nanoparçacıklar ışığa duyarlı olduklarından dolayı özellikle incelenmiş ve fotokatalizör olarak birçok alanda kullanılmıştır. Titanyum dioksit (TiO2), çinko oksit (ZnO), kadmiyum oksit (CdS) gibi inorganik yarıiletken nanoparçacıkların fotokatalizör olarak; hidrojen üretimi, güneş panoları, güneş pilleri, biyolojik ve çevresel uygulamalarda kullanılmaktadır. Fotokatalitik sistemlerin çalışma prensibi, nanoparçacıkların ışıkla uyarılarak elektron-boşluk çift salımına dayalıdır. Aydınlatılarak nanoparçacıklardan salınan yük taşıyıcıları (elektron ve boşluk) yardımı ile su moleküllerini parçalayarak hidrojen ve oksijen üretimi gerçekleşmektedir. Çevreye duyarlı “yeşil” yakıtların üretimi açısından, nanoparçacıkların “yeşil yakıt” olarak hidrojen üretiminde kullanımı büyük önem taşımaktadır. Fotopolimerizasyon yöntemi, uygulama alanlarındaki artış nedeniyle, gerek endüstri gerekse akademik çalışmalarda gittikçe artan bir öneme sahip olmaktadır. Fotopolimerizasyon, termal polimerizasyona göre düşük enerji tüketimi, oda sıcaklığında sertleşme, çözücüsüz ortamda polimerleşme, uygulanacak yüzey alanı ve uygulama süresinin kontrol edilebilmesi gibi yönleriyle birçok üstün özellik gösterir. Bu özellikler, fotobaşlatılmış serbest radikal polimerizasyonunun çeşitli malzemeler üzerindeki kaplamanın kürlenmesi, diş hekimliği, yapıştırıcılar, matbaa mürekkepleri, kontakt lens ve fotorezistler gibi birçok uygulama için ticari ölçekte yaygın olarak kullanımına imkân sağlar. Günümüzde fotobaşlatıcılarla ilgili yapılan araştırmaların büyük bir bölümü, yeni başlatıcıların sentezi veya mevcut başlatıcıların çözünürlüklerini geliştirme amacı taşımaktadır. Fotokimyasal yolla başlatılan radikal polimerizasyon bölünme (Tip I) ve hidrojen-koparma tipi (Tip II) fotobaşlatıcılar tarafından başlatılır. Fotopolimerizasyonda, fotobaşlatıcıların büyük öneme sahip olması nedeniyle, geniş ölçüde araştırmaya tabidir. Birinci tip fotobaşlatıcılar, aydınlatma sonucu α-bölünme süreci ile iki tür radikal vermek üzere fotoparçalanmaya uğrarlar. Tip II fotobaşlatıcılar, aydınlatma sonucu triplet uyarılmış hal α-hidrojen verici bileşiklerle reaksiyona girerek başlatıcı radikali oluşturur. Genellikle mor ötesi veya görünür bölge ışık kaynakları kullanılır. Fotobaşlatıcının uygun bir dalga boyundaki ışık absorpsiyonu sonucunda oluşan primer radikaller tek fonksiyonlu monomerlerin polimerizasyonunu sağlarken çok fonksiyonlu monomerlerin de çapraz bağlı yapılara dönüştürülmesini sağlar. Bütün üstünlüklere rağmen, fotopolimerizasyonda kullanılan düşük molekül ağırlıklı fotobaşlatıcılarla ilgili bazı dezavantajlar ortaya çıkmaktadır. Örneğin, kürlenmiş filmlerde fotobaşlatıcının parçalanmasından ortaya çıkan yan ürünler zamanla yüzeye göçerek filmi kullanılamaz hale dönüştürür. Bu dezavantajları ortadan kaldırmak için bir takım yöntemler geliştirilmiştir. Makrofotobaşlatıcılar (polimerik fotobaşlatıcılar) kullanarak filmlerde göçme dezavantajı ortadan kaldırılmaya çalışılmıştır. İkinci tip fotobaşlatıcı sistemlerde ise kullanılan hidrojen verici grubu ve fotobaşlatıcıyı birleştirmesi ile tek-bileşen fotobaşlatıcı sentezleyerek, hidrojen verici gruplardan ortaya çıkan zehirli ve kötü koku giderilmiş oluyor. Bu tezde, yukarıda belirtilen fotopolimerizasyondaki olumsuzlukları ortadan kaldırmak için çinko oksit (ZnO) nanoparçacıkları üretimi ve heterojen fotobaşlatıcı kullanımına dayalı iki farklı strateji ortaya konmuştur. İlk strateji, ışığa duyarlı çinko oksit nanoparçacıkların fotopolimerizasyonda başlatıcı olarak kullanımı üzerine kurulmuştur. Çinko oksit nanoparçacıkları tarafından ışıkla uyarıldıklarında ortama elektron-boşluk yük taşıyıcı çiftleri salınır. Ortamda bulunan elektron-boşluk çiftleri ile redoks reaksiyonlarına uygun eş-başlatıcı (co-initiator) molekülleri üzerinden serbest radikaller oluşur ve ardından vinil monomerlerin polimerizasyonu başlatılır. Serbest radikal polimerizasyonu, çinko oksit nanoparçacıkları kullanılarak sulu ve organik ortamda incelenmiştir. Sulu ortamda okijen ve su molekülleri üzerinden yürüyen redoks reaksiyonları sonucunda oluşan hidroksil radikali akrilamit polimerizasyonunu başlatır. Farklı koşullarda yapılan kontrol deneyleri yapılarak başlatma mekanizması aydınlatılmıştır. Böylelikle yarıiletken nanoparçacıkları kullanılarak ortamdaki oksijen moleküllerini başlama mekanizmasında tüketerek polimerizasyonda oksijen bulunma problemi de ortadan kalkmış olur. Organik ortamda ise metil metakrilat polimerizasyonu iki farklı eş-başlatıcı türü varlığında yapıldı. Bunun için, fotopolimerizasyonda en yaygın kullanılan amin ve onyum tuzları eş-başlatıcı olarak kullanıldı. Fotopolimerizasyonda amin eş-başlatıcıları uyarılmış triplet hal fotobaşlatıcılarını indirgeyerek radikal türleri üretirler. Onyum tuzları ise uyarılmış triplet hal fotobaşlatıcılardan bir elektron alarak, fotobaşlatıcıyı yükseltip serbest radikal türlerini oluşturur. Bu çalışmada kullanılan trietil amin eş-başlatıcısı nanoparçacıklardan ışık altında oluşan boşlukla etkileşime girerek yükseltgenip ardından başka bir amin molekülünden hidrojen kopararak serbest radikaller oluşturur. Onyum tuzu varlığında ise çinko oksit nanoparçacıklarından ışık altında salınan elektronlarla bir indirgeme reaksiyonu gerçekleşir. Difeniliyodonyum tuzu bir elektron alarak difenil iyodür radikaline dönüşür. Ardından, oluşan bu radikal fenil iyodür ve fenil radikal türlerine parçalanır. Trietil amin ve difeniliyodonyum eş-başlatıcılarından redoks reaksiyonları sonucunda oluşan α-amino radikal ve fenil radikal türleri metil metakrilat gibi vinil tip monomerlerin polimerizasyonunu başlatır. Bütün bu reaksiyonlar organik ortamda yapılırken, suda çözünen monomerlerin polimerizasyonu da çinko oksit nanoparçacıkları kullanılarak gerçekleşir. Suda çözünen monomer olarak akrilamit monomeri kullanıldı. Sulu ortamda ve oksijen varlığında başlatma mekanizması hidroksil radikallerin oluşumu ile gerçekleşti. Kontrol deneyleri yapılarak hidroksil radikallerin oluşumu izlendi. Işık altında nanoparçacıklardan oluşan boşluklar su molekülleri ile reaksiyon verip hidroksil radikali oluşturur. Oksijen molekülleri ise elektron alarak oksijen radikal anyonu oluşturur ve ardından oluşan bu radikal anyon su molekülleri ile reaksiyona girerek hidroksil radikali oluşturur. Böylelikle oksijen molekülleri serbest radikal oluşumunda kullanılarak, polimerizasyonda serbest radikallerin oksijen ile sonlandırma problemi büyük ölçüde ortadan kalkmış olur. Yarıiletken nanoparçacıkların foto-aktivitesini arttırmak için kullanılan yöntemlerden birisi doplama yöntemidir. Doplama için kullanılan elementler nanoparçacıkların kristal yapısında safsızlık olarak ışıma altında yük taşıyıcıların salınımını kolaylaştırır. Bu çalışmada ise demirle doplanmış çinko oksit nanoparçacıkları sentezlenip fotopolimerizasyon reaksiyonlarında kullanıldı. Doplanmış nanoparçacıklarla yapılan deneylerde, polimerizasyon hızında ve monomer dönüşümünde bir artış izlendi. Tezin ikinci kısmında çinko oksit nanoparçacıkların kontrollü/yaşayan polimerizasyon türü olan atom transfer radikal polimerizasyonunda (ATRP) kullanımını incelemek amacı ile yapılmıştır. Fotokimyasal olarak başlatılan kontrollü/yaşayan polimerizasyonlarda zincir transfer ve depolimerizasyon gibi yan reaksiyonların minimize edilmesinden dolayı daha düşük molekül ağırlık dağılımına sahip polimerler elde edilmektedir. Ayrıca uygun fotobaşlatıcı ve ışık şiddeti seçilerek de hem başlatıcı konsantrasyonu hem de polimer zincirlerinin boyu ayarlanabilir. Günümüzde var olan foto-ATRP sistemlerinde bakır(II) iyonları farklı fotokimyasal yöntemleri ile bakır(I)’e indirgeyerek ATRP için gerekli olan bakır(I) katalizörü elde edilir. Tez çalışmalarının bu kısmında ise çinko oksit ve demir doplu çinko oksit nanoparçacıkları yardımı ile fotokimyasal olarak ATRP için bakır(I) katalizörü üretimi incelenmiştir. Bunun için metil metakrilat, alkil halojenür, bakır(II) bromür ve çinko oksit nanoparçacıkları varlığında ışık altında denemeler yapılmış ve elde edilen polimerlerin molekül ağırlığı ve dağılımı, ve birçok parametrenin polimerizasyon üzerine etkisi incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar ışığında sistem için monomer tüketimi/zaman ve molekül ağırlığı/dönüşüm grafikleri çizilip, sistemlerle ilgili kinetik çalışmaları yapılmıştır.

Semiconducting materials have had a great impact in academia and industry. They offer many potential applications in environmental, analytical, and energetic matters. Semiconductors are highly photosensitive and can promote redox reactions by the photogenerated charge carriers. Electron-hole pairs are released from the conduction and valence band of semiconductor, respectively, upon light illumination. On the other hand in (photo)polymerization techniques there is a growing demand for more convenient and efficient systems so that polymerization can be conducted straightforwardly under facile conditions with low energy consumptions. Accordingly, a lack of control in conventional photopolymerizations entails much work to devolop or adapt controlled polymerization techniques with emerging or existing photocatalytic concepts. This prompted us to explore and take the advantages of semiconductor zinc oxide nanoparticles in different photopolymerization systems. We designed a set of reactions in conventional and controlled radical photopolymerizations: free radical polymerization and atom transfer radical polymerization. In the free radical technique, polymerizations were investigated in aqueous and organic media, in which oxygen inhibition problem can partially be suppressed in aqueous environment by including redox reactions of oxygen and water molecules in the formation of initiating radicals. Whereas, in organic media, the process was accomplished with the use of co-initiators. Amine and iodonium salt co-initiators were used to realize redox reactions with the photogenerated holes and electrons, respectively, to form initiating radicals and initiate the polymerization. Several control experiments were carried out to have a clear understanding of the proposed initiation mechanism of each individual system. The heterogeneous nature of the nanoparticles also offers additional advantage of reusability in further reactions. That is nanoparticles were easily separated off the system and reused for several times under the same experimental conditions without any loss of activity. Doping zinc oxide nanopaticles with iron enhanced the photoactivity of the nanopaticles and gave better results in term of high conversion and rapid reaction time. There has been a growing interest in developing ATRP systems offering higher and eliminating some drawbacks in conventional ATRP that uses copper(I), including low-stability and high loadings of the copper catalyst. In the controlled photoinitiated atom transfer radical polymerization (photo ATRP), the required copper(I) catalyst was achieved by reduction of copper(II) species with the aid of electrons releasing from the semiconductor under light. Nanoparticles were able to form in situ the copper(I) catalyst by reducing initially loaded copper(II) species. Poly(methyl methacrylate)s were obtained in a controlled manner with well-controlled molecular weights and narrow molecular weight distributions employing ethyl α-bromoisobutyrate as the ATRP initiator, copper(II)Br2/PMDETA (PMDETA: N,N,N′,N′′,N′′-pentamethyldiethylenetriamine)as the catalyst and zinc oxide nanoparticles as the photocatalyst. Kinetics studies showed all the characteristics of living/controlled polymerization with well-agreement of molecular weights with the theoretical values and high chain end fidelity as approved by 1H NMR spectroscopy and chain extension experiments. Additionally the system exhibited temporal control over the polymerization so that the chain growth could be manipulated by simply switching the light source On/Off.