ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΜΕ ΠΙΘΑΝΗ ΒΙΟΣΤΑΤΙΚΗ ΔΡΑΣΗ. Αντώνιος Στρατιδάκης

Transcript

1 ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΠΡΟΗΓΜΕΝΑ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΑ ΚΑΙ ΝΑΝΟΔΟΜΗΜΕΝΑ ΥΛΙΚΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΜΕ ΠΙΘΑΝΗ ΒΙΟΣΤΑΤΙΚΗ ΔΡΑΣΗ Αντώνιος Στρατιδάκης ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΜΠΟΚΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ, ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΜΑΡΤΙΟΣ 2016

2

3 POSTGRADUATE STUDIES PROGRAMME ADVANCED POLYMERIC AND NANOSTRUCTURED MATERIALS DISSERTATION THESIS DEVELOPMENT OF POLYMERIC MATERIALS WITH POSSIBLE BIOCIDAL ACTIVITY Antonios Stratidakis SUPERVISOR: GEORGIOS BOKIAS DEPARMENT OF CHEMISTRY, UNIVERSITY OF PATRAS MARCH

4 ΤΡΙΜΕΛΗΣ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ: 1. ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΜΠΟΚΙΑΣ (Αναπληρωτής καθηγητής) ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ, ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ 2. ΙΩΑΝΝΗΣ ΚΑΛΛΙΤΣΗΣ (Καθηγητής) ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ, ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ 3. ΒΑΛΑΝΤΟΥΛΑ ΝΤΕΪΜΕΝΤΕ (Επίκουρος καθηγήτρια) ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ, ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤHREE-MEMBER ΕΧΑΜΙΝΑΤΙΟΝ COMMITTEE: 1. GEORGIOS BOKIAS (Associate Professor) DEPARTMENT OF CHEMISTRY, UNIVERSITY OF PATRAS 2. JOANNIS KALLITSIS (Professor) DEPARTMENT OF CHEMISTRY, UNIVERSITY OF PATRAS 3. VALADOULA A. DEIMEDE (Assistant Professor) DEPARTMENT OF CHEMISTRY, UNIVERSITY OF PATRAS 2

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ 7 ΠΕΡΙΛΗΨΗ 9 ABSTRACT 11 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΥΔΑΤΟΔΙΑΛΥΤΑ ΠΟΛΥΜΕΡΗ ΑΜΦΙΦΙΛΑ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΗ ΠΟΛΥΗΛΕΚΤΡΟΛΥΤΕΣ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ ΜΕ ΕΠΙΦΑΝΕΙΟΔΡΑΣΤΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΟΔΡΑΣΤΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ ΜΙΚΤΑ ΣΥΣΣΩΜΑΤΩΜΑΤΑ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ/ΕΠΙΦΑΝΕΙΟΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΗ ΜΕ ΒΙΟΣΤΑΤΙΚΗ ΔΡΑΣΗ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΑ ΒΙΟΣΤΑΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΠΟΥ ΠΕΡΙΕΧΟΥΝ ΜΕΤΑΛΛΟΪΟΝΤΑ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΑ ΒΙΟΣΤΑΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΠΟΥ ΠΕΡΙΕΧΟΥΝ ΑΛΑΤΑ ΤΕΤΑΡΤΟΤΑΓΟΥΣ ΑΖΩΤΟ ΣΥΝΔΥΑΣΜΟΣ ΙΟΝΤΩΝ Cu 2+ ΚΑΙ ΑΛΑΤΩΝ ΤΕΤΑΡΤΟΤΑΓΟΥΣ ΑΖΩΤΟΥ ΣΕ ΕΝΑ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΟ ΒΙΟΣΤΑΤΙΚΟ ΥΛΙΚΟ 31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ ΝΕΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ ΠΥΡΗΝΙΚΟΥ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ 1 H NMR ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ ΥΠΕΡΥΘΡΟΥ ATR-IR ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑ ΑΠΟΚΛΕΙΣΜΟΥ ΜΕΓΕΘΩΝ SEC ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΦΑΣΜΑΤΟΦΩΤΟΜΕΤΡΙΑ ΥΠΕΡΙΩΔΟΥΣ-ΟΡΑΤΟΥ UV-Vis ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΙΑ ΜΟΡΙΑΚΗΣ ΦΩΤΑΥΓΕΙΑΣ ΙΧΝΗΘΕΤΗΣΗ ΜΕ NILE RED 47 3

6 2.2.3 ΙΞΩΔΟΜΕΤΡΙΑ 48 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 51 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΒΙΟΣΤΑΤΙΚΩΝ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ (P(VBCHAM-CO-VBCTEAM)) ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΙΑ/ΔΙΑΛΥΤΕΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΟΔΡΑΣΤΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΦΩΤΟΦΥΣΙΚΗΣ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Πειραματική πορεία σύνθεσης πολυ(βινυλοβενζυλο χλωριδίου) PVBC (SA1) Πειραματική πορεία σλυνθεσης πολυ(χλωριούχου βινυλοβένζυλο διμέθυλοδεκαεξυλαμμωνίου) P(VBC-co-VBCHAM5%) (SA2) Πειραματική πορεία της τροποποίησης του πολυ(βινυλοβενζυλο χλωριδοίου) με δεκαεξυλαμίνη και τριαιθυλαμίνη P(VBCHAM5%-co-VBCTEAM) (SA3) ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ PVBC ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ P(VBC-co-VBCHAMx%) ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ P(VBCHAMx%-co-VBCTEAM) ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΟΡΓΑΝΩΣΗΣ ΣΕ ΥΔΑΤΙΚΑ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ ΜΕ ΕΠΙΦΑΝΕΙΟΔΡΑΣΤΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ ΘΟΛΟΜΕΤΡΙΑ ΙΞΩΔΟΜΕΤΡΙΑ ΙΧΝΗΘΕΤΗΣΗ ΜΕ NILE RED ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΒΙΟΣΤΑΤΙΚΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ ΣΕ ΔΙΧΤΥΑ ΥΔΑΤΟΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΩΝ Επικάλυψη με το υλικό P(VBCHAM10%-co-VBCTEAM) με χρήση της εμπορικής μήτρας Portuguese 82 4

7 Επικάλυψη με το υλικό P(VBCHAM33%-co-VBCTEAM) με χρήση των εμπορικών μητρών Laroflex και Portuguese ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΓΙΑ ΤΗ ΒΙΟΣΤΑΤΙΚΗ ΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΣΥΝΤΕΘΙΜΕΝΩΝ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ ΚΑΙ ΕΜΒΑΠΤΙΣΜΕΝΩΝ ΔΙΧΤΥΩΝ ΣΥΖΗΤΗΣΗ-ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 87 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΒΙΟΣΤΑΤΙΚΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΠΟΥ ΠΕΡΙΕΧΟΥΝ CTAB Ή/ΚΑΙ ΙΟΝΤΑ Cu ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΑΝΙΟΝΤΙΚΩΝ ΠΟΛΥΗΛΕΚΤΡΟΛΥΤΩΝ ΜΕ ΜΕΤΑΛΛΟΪΟΝΤΑ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣΝΕΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΩΝ ΒΙΟΣΤΑΤΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΙΑ/ΔΙΑΛΥΤΕΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΟΔΡΑΣΤΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΠΟΡΕΙΑ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΤΩΝ ΒΙΟΣΤΑΤΙΚΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ ΤΩΝ ΒΙΟΣΤΑΤΙΚΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥΠΟΛΥΜΕΡΙΚΩΝ ΒΙΟΣΤΑΤΙΚΩΝ ΠΡΑΚΤΙΚΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΝΕΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΗΣ ΒΙΟΣΤΑΤΙΚΗΣ ΤΟΥΣ ΔΡΑΣΗΣ ΕΠΙΚΑΛΥΨΗ ΔΙΧΤΥΩΝ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΗΣ ΒΙΟΣΤΑΤΙΚΗΣ ΔΡΑΣΗΣ ΤΩΝ ΝΕΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΚΑΙ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ ΕΠΙΚΑΛΛΥΜΕΝΩΝ ΔΙΧΤΥΩΝ ΣΥΖΗΤΗΣΗ-ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 114 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 117 5

8 6

9 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Πολυμερών του Τομέα Χημικών Εφαρμογών, Χημικής Ανάλυσης και Χημείας Περιβάλλοντος του Τμήματος Χημείας του Πανεπιστημίου Πατρών. Θα ήθελα να ευχαριστήσω τους ανθρώπους που συνέβαλαν στην ολοκλήρωση της παρούσας εργασίας. Τον αναπληρωτή καθηγητή του Τμήματος Χημείας του Πανεπιστημίου Πατρών κ. Γεώργιο Μπόκια για την επιστημονική του καθοδήγηση και τις πολύτιμες συμβουλές του καιθώς και για όλη τη βοήθεια και υποστήριξη που μου προσέφερε σε όλη τη διάρκεια της εκπόνησης της παρούσας εργασίας. Τον Καθηγητή του Τμήματος Χημείας του Πανεπιστημίου Πατρών κ. Ιωάννη Καλλίτση για την επιστημονική του καθοδήγηση και την ουσιαστική βοήθεια που μου προσέφερε. Την επίκουρο καθηγήτρια του Τμήματος Χημείας του Πανεπιστημίου Πατρών κυρία Ντεϊμεντέ Χρυσοβαλάντω για την επιστημονική της καθοδήγηση και τις πολύτιμες συμβουλές που μου προσέφερε. Τον αναπληρωτή καθηγητή του Τμήματος Ιατρικής του Πανεπιστημίου Πατρών κύριο Βανταράκη Απόστολο για τη βοήειά του στην εκτίμηση της βιοστατικής δράσης των νέων βιοστατικών πολυμερικών υλικών. Την επίκουρο καθηγήτρια του Τμήματος Τεχνολόγων Αλιείας και Υδατοκαλλιεργειών του Α.Τ.Ε.Ι. Δυτικής Ελλάδας κυρία Βλασούλα Μπεκιάρη για τη βοήθειά της στη μελέτη υπό επιταγχυνόμενες συνθήκες βιοσυσώρρευσης των επικαλυμμένων με βιοστατικό υλικό διχτυών υδατοκαλλιεργειών. Την εταιρία SELODA Α. Ε. για την ευκαιρία να δοκιμαστούν κάποια από τα επικαλλυμένα δίχτυα σε πραγματικές συνθήκες. Την εταιρία ΧΡΩΤΕΧ Α. Ε. για την παραχώρηση μεγάλης ποσότητας εμπορικών μητρών για τις επικαλύψεις των διχτυών υδατοκαλλιέργειας. Το Πρόγραμμα Ανάπτυξης της Βιομηχανικής Έρευνας και Τεχνολογίας (ΠΑΒΕΤ) για την οικονομική στήριξη που μου παρείχε για μεγάλο χρονικό διάστημα της εκπόνησης της μεταπτυχιακής μου εργασιάς. Το Δρ. Δημήτριο Βαχλιώτη και το Δρ. Γεώργιο Μαγουλά για τη διεξαγωγή των πειραμάτων πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού. 7

10 Τη Δρ. Ζαχαρούλα Ιατρίδη και την υποψήφια διδάκτορα Μέλπω Καραμήτρου για την υποστήριξη και τη βοήθεια που μου προσέφεραν καθώς και το ενδιαφέρον που έδειξαν καθ όλη τη διάρκεια των πειραμάτων. Το Δρ. Ιωάννη Θηβαίο και το Δρ. Χάρη Αναστασόπουλο για την υποστήριξη και τη βοήθεια που μου προσέφεραν κατά τη διάρκεια των πειραμάτων. Την Δρ. Γεωργία Λαϊνιώτη, τον υποψήφιο διδάκτορα Νίκο Κορομηλά και τον υποψήφιο διδάκτορα Παναγιώτη Γιαννόπουλο για την υποστήριξή τους και τη βοήθεια που μου προσέφεραν κατά τη διάρκεια των πειραμάτων. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους διδάκτορες του εργαστηρίου, Ανδρεοπούλου Κατερίνα, Voege Andrea, καθώς και τους υποψήφιους διδάκτορες Κακογιάννη Σοφία και τους μεταπτυχιακούς φοιτητές Διονυσία Ντρουβάρη, Στεφανία Αϊβαλή, Σιμιτζή Κωνσταντίνα, Πηλέα Παπακωνσταντίνου, Λεμποτέση Κωνσταντίνο, Καλλίτση Κωνσταντίνο, Νάννου Ραφαέλα, Αθανασοπούλου Κατερίνα, Μουτσιοπούλου Αγγελική, Γαλιατσάτο Δημήτρη, Κουκουμτζή Βασίλη, Σαράντη-Καραμεσίνη Διονυσία-Ντενίζ, Τσακαράκη Δαφνιάννα και Ηλία Άγγελο για τη βοήθειά τους όποτε χρειάστηκε και για το καλό κλίμα και τη συνεργασία που υπήρξε στο εργαστήριο καθώς και τον κύριο Αδαμόπουλο Παναγιώτη, υπεύθυνο τεχνικής υποστήριξης του εργαστηρίου, για τη συνεχή βοήθειά του σε κάθε τεχνικό πρόβλημα που στεκόταν εμπόδιο στη διεξαγωγή των πειραμάτων. Τέλος, ευχαριστώ την οικογένειά μου και τους φίλους μου για τη στήριξη και την κατανόησή τους. 8

11 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η ανάπτυξη θαλάσσιων βιοαποθέσεων στην επιφάνεια διχτυών υδατοκαλλιέργειας αποτελεί ένα πολύ ουσιαστικό πρόβλημα με σημαντικότατες οικονομικές και οικολογικές συνέπειες. Μέχρι πριν λίγα χρόνια τα βιοστατικά υλικά που χρησιμοποιούνταν για την προστασία των επιφανειών των διχτυών υδατοκαλλιέργειας από μικροοργανισμούς βασίζονταν σε ενώσεις του κασσιτέρου (ΤΒΤs) και άλλες βιοστατικές ενώσεις. Χρησιμοποιώντας ΤΒΤs επιτυγχάνεται ταυτόχρονα και η λειτουργία αυτοκαθαρισμού (selfpolishing), καθώς η πολυμερική μήτρα που φέρει το βιοστατικό υλικό μετατρέπεται σταδιακά σε υδατοδιαλυτή και απομακρύνεται ομοιόμορφα από την επιφάνεια του διχτυού. Ωστόσο, η επιστημονική κοινότητα που ασχολείται με το συγκεκριμένο πρόβλημα, ανταποκρινόμενη στις απαιτήσεις της προστασίας του περιβάλλοντος, προέτρεψε στην απαγόρευση της εφαρμογής οργανοκασσιτερικών χημικών ενώσεων από τον Ιανουάριο του 2008, λόγω της υψηλής τοξικότητας του κασσιτέρου. Για το λόγο αυτό αναπτύσσεται διεθνώς έντονη δραστηριότητα, τόσο σε επίπεδο βασικής ακαδημαϊκής έρευνας όσο και σε επίπεδο εφαρμοσμένης βιομηχανικής έρευνας, για την ανάπτυξη λιγότερο επιβλαβών για το περιβάλλον βιοστατικών υλικών που αντιμετωπίζουν αποτελεσματικά το πρόβλημα των θαλάσσιων βιοαποθέσεων στην επιφάνεια των διχτυών υδατοκαλλιέργειας, μέσα από διάφορες προσεγγίσεις. Στα πλαίσια αυτών των προβληματισμών, η παρούσα εργασία είχε ως στόχο τη διερεύνηση της δυνατότητας ανάπτυξης πολυμερικών υλικών, τα οποία θα φέρουν εναλλακτικές βιοστατικές ενώσεις, όπως τα ιόντα του δισθενούς χαλκού, Cu 2+, αλλά και κατιοντικές ή ανιοντικές επιφανειοδραστικές ενώσεις. Οι δύο κατηγορίες βιοστατικών ουσιών μπορούν να χρησιμοποιηθούν ανεξάρτητα ή σε συνδυασμό, κάνοντας πιθανή την εμφάνιση συνεργιστικών συμπεριφορών. Στόχος λοιπόν είναι να διερευνηθούν ομοιοπολικοί και μη ομοιοπολικοί τρόποι δέσμευσης των βιοστατικών ενώσεων με απώτερο σκοπό τη σταδιακή απελευθέρωσή όταν αυτές έρχονται σε επαφή με το θαλασσινό νερό και το πολυμερικό υλικό να καθίσταται σταδιακά υδατοδιαλυτό. Σε μερικές περιπτώσεις γίνεται χρήση εμπορικών μητρών με στόχο όσο το δυνατό περισσότερο τη βραδεία αποδέσμευση των βιοστατικών ενώσεων. Για την εισαγωγή των ιόντων Cu 2+ διερευνήθηκαν δύο εναλλακτικές δυνατότητες: α) ηλεκτροστατική δέσμευση, όπου τα ιόντα Cu 2+ αποτελούν τα αντισταθμστικά ιόντα ενός ισχυρού πολυηλεκτρολύτη που φέρει σουλφονικές ομάδες όπως το στυρενοσουλφονικό νάτριο (SSNa) και β) σχηματισμός συμπλόκων ένταξης (coordination) μεταξύ των ιόντων Cu 2+ και πολυμερών που φέρουν καρβοξυλικές ομάδες, όπως το μηλεϊνικό οξύ στη μετά νατρίου άλατος μορφή του (ΜΑNa). Έτσι, για τις μελέτες αυτές χρησιμοποιήθηκαν συμπολυμερή του SSNa με το MAΝa, της γενικής μορφής P(SSNa-co-MANa). Σε μία εναλλακτική προσέγγιση παρασκευάστηκαν και συμπολυμερή P(VBCHAM-co- VBCTEAM) που έφεραν ομοιοπολικά δεσμευμένη τη βιοστατική ομάδα χλωριούχο βινυλοβενζυλο διμεθυλο τριμεθυλαμμώνιο (VBCHAM), σε συνδυασμό με υδρόφιλες κατιοντικές μονάδες (χλωριούχο βινυλοβενζυλτριμεθυλαμμώνιο, VBCTEAM). Τα νέα αυτά 9

12 υλικά χαρακτηρίστηκαν με φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού 1 Η NMR, φασματοσκοπία υπερύθρου ATR-IR και χρωματογραφία αποκλεισμού μεγεθών SEC. Για τη φυσικοχημική τους μελέτη, εφαρμόστηκαν οι τεχνικές Ιχνηθέτησης με φθορίζοντες ιχνηθέτες, Φασματοφωτομετρία UV-Vis και Ιξωδομετρία. Και στις δύο περιπτώσεις εισήχθησαν και επιφανειοδραστικές ενώσεις σε διάφορα ποσοστά, ώστε να διερευνηθεί τυχόν συνεργιστική δράση και να ελεγχθεί η διαλυτότητα στο νερό. Όσον αφορά στις επιφανειοδραστικές ενώσεις, η επιλογή ανιοντικής ή κατιοντικής έγινε με βάση το φορτίο του πολυηλεκτρολύτη που χρησιμοποιήθηκε. Στην περίπτωση των κατιοντικών πολυηλεκτρολυτών P(VBCHAM-co-VBCTEAM) χρησιμοποιήθηκε η ανιοντική επιφανειοδραστική ένωση SDS (δωδεκυλοθειϊκό νάτριο), ενώ στην περίπτωση των ανιοντικών πολυηλεκτρολυτών P(SSNa-co-MANa) χρησιμοποιήθηκε η κατιοντική επιφανειοδραστική ένωση CTAB (βρωμιούχο δεκαεξυλοτριμεθυλαμμώνιο). Για τη δέσμευσή τους από τα πολυμερή εκμεταλλευτήκαμε τη γνωστή ιδιότητα σχηματισμού δυσδιάλυτων στο νερό συμπλόκων ηλεκτροστατικής φύσης με τους αντίθετα φορτισμένουν πολυηλεκτρολύτες. Στα πολυμερικά βιοστατικά υλικά με βάση τα συμπολυμερή P(SSNa-co-MANa) έγινε περαιτέρω χαρακτηρισμός με την τεχνική της Φασματοσκοπίας υπερύθρου και για τη φυσικοχημική τους μελέτη εφαρμόστηκε η τεχνική της Φασματοφωτομετρία UV-Vis. Για τη μελέτη της βιοστατικής δράσης και των δύο παραπάνω τύπων πολυμερικών υλικών, παρασκευάστηκαν διαλύματα των πολυμερικών υλικών παρουσία εμπορικών μητρών χρωμάτων, τα οποία χρησιμοποιήθηκαν για την επικάλυψη διχτυών υδατοκαλλιέργειας. Αυτά μελετήθηκαν είτε σε πραγματικό θαλάσσιο περιβάλλον (σε συνεργασία με την εταιρία SELODA ) είτε σε συνθήκες επιταχυνόμενης βιοσυσσώρευσης μέσα σε φωτιζόμενα ενυδρεία (με τη βοήθεια συνεργατών από το Τ.Ε.Ι. Δυτικής Ελλάδας). Επιπλέον, έγινε μελέτη της βιοστατικής δράσης των υλικών αυτών σε συνεργασία με τον τομέα Κλινικών Εργαστηρίων του Τμήματος Ιατρικής του Πανεπιστημίου Πατρών. Λέξεις-κλειδιά: Υδατοδιαλυτά πολυμερή, αμφίφιλα πολυμερή, υδρόφοβα τροποποιημένα πολυμερή, βιοστατική δράση, κατιοντικοί πολυηλεκτρολύτες, ανιοντικοί πολυηλεκτρολύτες, επιφανειοδραστικές ενώσεις, ιόντα δισθενούς χαλκού, δίχτυα υδατοκαλλιεργειών. 10

13 ABSTRACT The development of marine biofouling in aquaculture nets is a very important problem with major economic and ecological consequences. Until recently, the biocidal materials used to protect the surfaces of aquaculture nets from biofouling were based on organotin compounds (TBTs) and other biocidal compounds. By using TBTs self-polishing operation is taking place simultaneously, while the polymeric matrix carrying the biocidal material is gradually transformed into water-soluble and is being removed evenly from the surface of the net. Responding to the requirements of environmental protection, the application of organotin compounds which act as biocides is completely prohibited since 1 January Therefore, the international research activity is intense, in terms of both basic academic research and applied industrial research, to develop less environmentally harmfull biocidal materials which effectively address the problem of marine biofouling on the surface of aquaculture nets, through various approaches. Under these considerations, the present study aims investigate the possibility of development of polymeric materials, which will bring alternative biocidal compounds such as ions of Cu 2+, and cationic or anionic surfactants. These two categories of biocidal species may be used independently or in combination, making possible the appearance of synergistic behavior. The aim is therefore to investigate covalent and non-covalent binding modes of biocidal compounds with a view to be gradually released when they come in contact with sea water and the polymeric material becomes gradually soluble. In some cases, commercial paints are being used in order to decrease the life of biocidal compounds. For the introduction of Cu 2+ ions, two alternatives were investigated: a)electrostatic binding where the ions Cu 2+ are the counter ions of a strong polyelectrolyte bearing sulfonate groups, such as styrene sulfonate (SSNa) and b) coordination between Cu 2+ ions and polymers bearing carboxyl groups, such as maleic acid in the form of the sodium salt (MANa). Thus this study used P(SSNa-co-MANa) copolymers of SSNa and MANa. In an alternative approach, copolymers P(VBCHAM-co-VBCTEAM) were synthesized, bearing the covalently attached biocidal group vinylbenzylhexadecyltrimethylammonium chloride (VBCHAM) in combination with cationic hydrophilic units vinylbenzyltrimethylammonium chloride (VBCTEAM). These new materials were characterized by proton nuclear magnetic resonance 1 H NMR, infrared spectroscopy ATR-IR and size exclusion chromatography SEC. For the physicochemical studies of these materials are applied techniques susch as ultraviolet-visible spectroscopy UV-Vis, fluorescence probes and viscometry. In both cases, surfactants were introduced at different fractions to investigate possible possible synergistic action and to control the solubility in water. The selection of surfactant channel (anionic or cationic) was made according to the charge of the polyelectrolyte used. In the case of cationic polyelectrolytes (P(VBCHAM-co-VBCTEAM)) the surfactant used was SDS (sodium dodecyl sulfate), while in the case of anionic polyelectrolytes (P(SSNa-co- MANa)), CTAB (hexadecyltrimethyl ammonium bromide) was used as a cationic surfactant. 11

14 For the incorporation of the surfactants in the polymeric materials, we exploited the well known ability of the surfactants to form water-insoluble complexes of electrostatic nature with oppositely charged polyelectrolytes. In the case of polymeric biocidal copolymers based P(SSNa-co-MANa) the chemical characterization was performed through ATR-IR spectroscopy, while UV-Vis spectroscopy was used for the physicochemical study. To study the biocidal action of both types of polymeric biocidal materials, solutions of the polymeric materials were prepared, in the presence of commercial paint matrices proposed for coating aquaculture nets. These nets were studied either in real marine environment (in cooperation with the company SELODA ) or in accelerated bioaccumulation conditions inside illuminated aquarium (with the help of partners from T.E.I. of Western Greece). Furthermore the study of the biocidal action of these materials was investigated in cooperation with the Clinical Laboratory sector of the School of Medicine, University of Patras. Key-words: Water-soluble polymers, amphiphilic polymers, hydrophobically modified polymers, biocidal activity, cationic polyelectrolytes, anionic polyelectrolytes, surfactants, Cu 2+ ions, aquaculture nets. 12

15 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 13

16 14

17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΥΔΑΤΟΔΙΑΛΥΤΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΒΙΟΣΤΑΤΙΚΗΣ ΔΡΑΣΗΣ 1.1 ΥΔΑΤΟΔΙΑΛΥΤΑ ΠΟΛΥΜΕΡΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα πολυμερή είναι μεγάλα μόρια που αποτελούνται από επαναλαμβανόμενες μικρές χημικές μονάδες, ίδιου ή διαφορετικού είδους, οι οποίες συνδέονται μεταξύ τους με ομοιοπολικό δεσμό. Αν και η πλειονότητα των πολυμερών δε διαλύεται στο νερό, η παρουσία πολικών ή ιοντικών μονάδων στη δομική μονάδα ενός πολυμερούς μπορεί να το καταστήσει υδατοδιαλυτό. Τα υλικά αυτά αναφέρονται συχνά και σαν υδατοδιαλυτές γόμες ή υδατοδιαλυτές ρητίνες. Η σημασία των υδατοδιαλυτών πολυμερών ως μία ξεχωριστή ομάδα παρουσιάστηκε μόλις τη δεκαετία του Κατά τη δεκαετία του 1980 άρχισαν να εμφανίζονται οι πρώτες πιο ολοκληρωμένες εκδόσεις και βιβλία με αντικέιμενο τα υδατοδιαλυτά πολυμερή. Τα υδατοδιαλυτά πολυμερή είναι μία κατηγορία υλικών που έχει αναπτυχθεί εμπορικά και μελετάται επιστημονικά με αυξανόμενους ρυθμούς τις τελευταίες δεκαετίες. Αυτό αντανακλά την αυξανόμενη ποικιλότητα των πιθανών εφαρμογών τους, αλλά και το ενδιαφέρον για τις χρήσεις του νερού ως εναλλακτικού διαλύτη σε διάφορες περιπτώσεις. Τυπικά παραδείγματα αποτελούν οι χρήσεις τους ως κροκιδωτικά για τον καθαρισμό του νερού, στην απομόνωση μετάλλων σε διάφορες μεταλλουργικές διεργασίες, στη δευτερογενή ανάκτηση του πετρελαίου, σε καλλυντικά κ.α. Τέλος η έρευνα των υδατοδιαλυτών πολυμερών βοηθά στην κατανόηση των ιδιοτήτων και πλέον πολύπλοκων βιοπολυμερών και της λειτουργίας τους στο φυσικό υδάτινο περιβάλλον του ζωντανού κυττάρου 1,2,3. Στην ιατρική και τη βιολογία βρίσκουν εφαρμογές ως υποκατάστατα πλάσματος, στην απομόνωση και στον καθαρισμό ενζύμων, στην ελεγχόμενη αποδέσμευση φαρμάκων κ.α. Βρίσκουν σημαντικές χρήσεις στη βιομηχανία εξαιτίας της δυνατότητας τους να ρυθμίζουν τις ρεολογικές ιδιότητες σε διάφορα προϊόντα που έχουν σα βάση τους το νερό. Ένας ακόμη λόγος για τον οποίο η χρήση τους προτιμάται είναι ότι είναι φιλικότερα προς το περιβάλλον. Ανάλογα με την προέλευσή τους τα υδατοδιαλυτά πολυμερή διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες 4 : 15

18 Φυσικά πολυμερή ή βιοπολυμερή (πρωτεϊνες, πολυσακχαρίτες) Χημικώς τροποποιημένα φυσικά πολυμερή ή ημισυνθετικά πολυμερή (παράγωγα κυτταρίνης) Συνθετικά πολυμερή 5 Παρακάτω ακολουθεί Πίνακας όπου παρουσιάζονται ορισμένα τυπικά παραδείγματα χαρακτηριστικών ομάδων συνθετικών υδατοδιαλυτών πολυμερών (Πίνακας 1.1). Πίνακας 1.1. Παρουσίαση ορισμένων τυπικών παραδειγμάτων χαρακτηριστικών ομάδων συνθετικών υδατοδιαλυτών πολυμερών. Χαρακτηριστική ομάδα Κατηγορία Πολυμερών -COOH Πολυ(ακρυλικό οξύ) -OH Πολυβινυλική αλκοόλη -NH 2 Πολυαμίνες -CONH Πολυ(ακρυλαμίδια) -SO - 3 Na + Πολυ(σουλφονικά άλατα) -COO - M + Πολυ(ακρυλικά άλατα) -O - Πολυαιθέρες Όπως φαίνεται και από τον Πίνακα 1.1, η υδατοδιαλυτότητα των πολυμερών μπορεί να επιτευχθεί με μία ευρεία ποικιλία ομάδων. Αυτές μπορεί να είναι τόσο μη ιοντικές όπως οι ομάδες ΟΗ, οι ομάδες αμιδίου ή οι αιθερομάδες (μη ιοντικά πολυμερή), όσο και ιοντικές (ιοντικά πολυμερή ή πολυηλεκτρολύτες). Ως αποτέλεσμα αυτής της μεγάλης ποικιλότητας, τα υδατοδιαλυτά πολυμερή παρουσιάζουν ποικιλομορφία συμπεριφορών σε υδατικό διάλυμα, αλλά και δυνατότητα ανάπτυξης αλληλεπιδράσεων με διάφορα άλλα συμπληρωματικά είδη. Οι σπουδαιότερες από τις πιθανές αλληλεπιδράσεις είναι ηλεκτροστατικής φύσης (π.χ. επιφανειοδραστικές ενώσεις), δεσμοί υδρογόνου, υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις και σχηματισμός συμπλόκων ένταξης (μεταλλοϊόντα). Στον Πίνακα 1.2 συγκεντρώνονται οι συχνότερα απαντώμενες αλληλεπιδράσεις των συνθετικών υδατοδιαλυτών πολυμερών με τις διάφορες κατηγορίες συμπληρωματικών ειδών. Πίνακας 1.2. Αλληλεπιδράσεις υδατοδιαλυτών πολυμερών με διάφορα συμπληρωματικά είδη.(στις περισσότερες περιπτώσεις, οι υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις δρουν συμπληρωματικά με τις υπόλοιπες αλληλεπιδράσεις). Κινούσα δύναμη Συμπληρωματικά είδη Ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις Συνθετικά πολυμερή Βιοπολυμερή Επιφανειοδραστικές ενώσεις Μεταλλοϊόντα Δεσμοί υδρογόνου Συνθετικά πολυμερή 16

19 Βιοπολυμερή Επιφανειοδραστικές ενώσεις Υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις Επιφανειοδραστικές ενώσεις Σχηματισμός συμπλόκου ένταξης Μεταλλοϊόντα Ανάλογα με το είδος των δομικών ομάδων τα πολυμερή διακρίνονται σε: Ομοπολυμερή (homopolymers) που αποτελούνται από ένα είδος μονομερούς.. Συμπολυμερή (copolymers) αποτελούνται συνήθως από δύο είδη μονομερών Α και Β και ανάλογα με την διαδοχή των Α και Β διακρίνονται σε: Τυχαία Εναλλασσόμενα Συσταδικά Ενοφθαλμισμένα Τα πολυμερή με βάση την αρχιτεκτονική της πολυμερικής αλυσίδας διακρίνονται σε: Γραμμικά Διακλαδισμένα Δίκτυα Τα υδατοδιαλυτά πολυμερή αποτελούν υλικά μεγάλης σημασίας στη φύση και στον τομέα της τεχνολογίας, λόγω των ποικίλων ιδιοτήτων και πρακτικών εφαρμογών τους (Πίνακας 1.3). Η μελέτη των υδατοδιαλυτών πολυμερών απέκτησε ιδιαίτερο ενδιαφέρον τις τελευταίες δεκαετίες, λόγω της σπουδαιότητάς τους στα βιολογικά συστήματα, τα τρόφιμα και τα βιομηχανικά προϊόντα, όπου μπορούν να αξιοποιηθούν τα πλεονεκτήματα και το χαμηλό κόστος του νερού ως διαλύτη 6,7. Πίνακας 1.3. Χαρακτηριστικές ιδιότητες και οι αντίστοιχες πρακτικές εφαρμογές των υδατοδιαλυτών πολυμερών 6. Ιδιότητες Αύξηση ιξώδους και σχηματισμός πηκτωμάτων Σταθεροποίηση αιωρημάτων Κροκίδωση Επιστρώσεις, δημιουργία υμενίων και λεπτών φύλλων Περιοχές τεχνολογικών εφαρμογών Καλλυντικά, τρόφιμα, χρώματα, λιπαντικά, φαρμακευτικές εφαρμογές, υλικά μικροβιολογικών μελετών, προϊόντα για την εξόρυξη του πετρελαίου Αρώματα, απορρυπαντικά, πολυμερισμοί σε γαλάκτωμα, μελάνια, χρώματα Επεξεργασία νερού, επεξεργασία ορυκτών, ποτά Εκμαγεία, υλικά συσκευασίας, φωτογραφικά φίλμ, υμένια ανθεκτικά σε οργανικούς διαλύτες, φύλλα προσωρινής προστασίας 17

20 Ανάπτυξη ισχυρών συνδετικών δυνάμεων μεταξύ στερεών Κατακράτηση της υγρασίας Ώσμωση Συμπλοκοποίηση Έλεγχος τυρβώδους ροής Τροποποίηση της αύξησης του μεγέθους των κρυστάλλων Κόλλες, προϊόντα για ψεκασμούς, τσιμέντο, εκρηκτικές ύλες, παραγωγή χαρτιού, επεξεργασία δερμάτων Επεξεργασία δερμάτων, τρόφιμα, προϊόντα καπνού Υποκατάστατα πλάσματος του αίματος, κρυοπροστατευτικά υλικά Βαφή υφασμάτων, φαρμακευτικές εφαρμογές Πυροπροστασία, προϊόντα ναυτιλίας Φαρμακευτικές εφαρμογές, τρόφιμα, κρυοπροστατευτικά υλικά, επιμεταλλώσεις ΑΜΦΙΦΙΛΑ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΗ Όταν τα συμπολυμερή αποτελούνται από μονομερικές ομάδες οι οποίες διαλύονται σε διαφορετικούς διαλύτες, τότε ονομάζονται αμφίφιλα. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν τα αμφίφιλα συμπολυμερή που αποτελούνται από υδρόφιλα και υδρόφοβα μονομερή. Τα συμπολυμερή αυτά παρουσιάζουν πολλές ιδιαιτερότητες αλλά και δυσκολίες στη σύνθεσή τους, λόγω της δυσκολίας εύρεσης κοινών διαλυτών. Το συνεχώς αυξανόμενο ενδιαφέρον για αυτά τα πολυμερή οφείλεται στις ενδιαφέρουσες ιδιότητές τους, οι οποίες καθορίζονται από τη μοριακή δομή τους, και τα καθιστούν ελκυστικά σε πολλούς τομείς της επιστήμης αλλά και της βιομηχανίας. Η ασυμβατότητα των διαφορετικών ομάδων έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό ενδιαφερουσών μορφολογιών σε στερεά κατάσταση ή σε διάλυμα. Σε διαλύματα, η πιο χαρακτηριστική ιδιότητά τους είναι αυτή της αυτοοργάνωσης η οποία οδηγεί σε σχηματισμό οργανωμένων δομών, συνήθως μικκυλλίων, ανάλογα με το διαλύτη στον οποίο είναι διαλυμένα. Εξάλλου, η ικανότητά τους να αυτοοργανώνονται σε στερεά κατάσταση οδηγεί σε τάξη μεγάλης εμβέλειας (long range ordering) και στο σχηματισμό ενδιαφερουσών δομών όπως σφαίρες, κύλινδροι κτλ. (Σχήμα 1.1). Σχήμα 1.1. Αυτοοργάνωση των πολυμερικών υλικών σε μικκυλιακές δομές. 18

21 Η έννοια της μικυλλιοποίησης θα συζητηθεί σε επόμενη παράγραφο, η οποία αναφέρεται σε επιφανειοδραστικές ενώσεις. Συνήθως τα μικκύλια έχουν σφαιρικό σχήμα, με δομή πυρήνα-κορώνας, με υδρόφοβο πυρήνα και υδρόφιλη κορώνα. Η υδρόφοβη συστάδα έχει την αυθόρμητη τάση να αυτό-οργανωθεί στα υδατικά διαλύματα, σχηματίζοντας τον πυρήνα του μικκυλίου και η υδρόφιλη συστάδα, που αποτελεί την κορώνα του μικκυλίου, αποτρέπει την καθίζηση των συσσωματωμάτων. Η υπερμοριακή οργάνωση των αμφίφιλων συμπολυμερών σε υδατικά περιβάλλοντα είναι μια θερμοδυναμικά αντιστρεπτή διαδικασία. Σε μικρές συγκεντρώσεις τα αμφίφιλα συμπολυμερή υπάρχουν στο διάλυμα ως ανεξάρτητες αλυσίδες και μπορούν να θεωρηθούν ως μονομοριακά μικκύλια. Σε μεγάλη αραίωση οι διαμοριακές αλληλεπιδράσεις πολυμερούς/υδατικού μέσου υπερισχύουν των διαμοριακών αλληλεπιδράσεων πολυμερούς-πολυμερούς. Η αυτοοργάνωση των πολυμερικών αλυσίδων σε υπερμοριακά μικκύλια επιτυγχάνεται όταν η συγκέντρωση φθάνει μια συγκεκριμένη τιμή, που καλείται κρίσιμη συγκέντρωση μικκυλοποίησης (critical micelle concentration) cmc ΠΟΛΥΗΛΕΚΤΡΟΛΥΤΕΣ Ως πολυηλεκτρολύτες ορίζονται τα υδατοδιαλυτά πολυμερή, τα οποία έχουν φορτισμένες ομάδες συνδεδεμένες στην αλυσίδα τους. Όταν όλες οι ομάδες που συνδέονται στην αλυσίδα του πολυμερούς είναι θετικά φορτισμένες, το πολυμερές χαρακτηρίζεται ως πολυκατιόν, ενώ όταν οι ομάδες αυτές είναι αρνητικά φορτισμένες, τότε μιλούμε για πολυανιόν 8 (Σχήμα 1.2). Στην περίπτωση κατά την οποία ο πολυηλεκτρολύτης περιέχει ταυτόχρονα θετικά φορτισμένες ομάδες και αρνητικά φορτισμένες ομάδες, τότε το πολυμερές χαρακτηρίζεται ως πολυαμφολύτης 9. Σχήμα 1.2. Σχηματική αναπαράσταση πολυανιόντος 8. Όταν το φορτίο των πολυμερών είναι ισχυρό, τότε μιλούμε για ισχυρούς πολυηλεκτρολύτες 10,11. Αντίθετα, όταν τα πολυμερή είναι ασθενώς φορτισμένα, τότε αναφερόμαστε σε ασθενείς πολυηλεκτρολύτες

22 Ανάλογα με την ηλεκτροχημική τους συμπεριφορά, οι πολυηλεκτρολύτες μπορούν να διακριθούν σε: Πολυοξέα, τα οποία αποδίδουν κατιόντα υδρογόνου στο διάλυμα και περιλαμβάνουν στην αλυσίδα τους ομάδες όπως καρβοξυλομάδες. Παράδειγμα πολυοξέος αποτελεί το πολυ(ακρυλικό οξύ). Πολυβάσεις, οι οποίες αποδίδουν ανιόντα υδροξυλίου στο διάλυμα και περιλαμβάνουν στην αλυσίδα τους ουδέτερες ομάδες όπως αμινομάδες. Στην ομάδα των πολυβάσεων ανήκουν οι πολυαμίνες. Πολυάλατα, τα οποία αποδίδουν στο διάλυμα κατιόντα (ανιοντικοί πολυηλεκτρολύτες) ή ανιόντα (κατιοντικοί πολυηλεκτρολύτες). Παράδειγμα πολυάλατος αποτελεί το πολυ(στυρενοσουλφονικό νάτριο). Όταν οι πολυηλεκτρολύτες είναι πολυκατιόντα ή πολυανιόντα, υπάρχει πάντα ένας επαρκής αριθμός ελεύθερων ιόντων, τα οποία είναι αντίθετα φορτισμένα από τα μόρια του πολυμερούς, ώστε να επικρατεί ηλεκτρική ουδετερότητα στο σύστημα. Τα ιόντα αυτά είναι γνωστά ως αντισταθμιστικά ιόντα 13. Στο Σχήμα 1.3 δίνεται μία σχηματική αναπαράσταση ενός πολυηλεκτρολύτη σε υδατικό διάλυμα. Σχήμα 1.3. Πρότυπο πολυηλεκτρολύτη σε διάλυμα 14. Η διαμόρφωση των πολυηλεκτρολυτών σε ένα διάλυμα εξαρτάται από το ποσοστό των φορτισμένων ομάδων στο πολυμερές και την ιοντική ισχύ του διαλύματος. Όταν αναφερόμαστε σε ασθενείς πολυηλεκτρολύτες, εκτός από τις αλληλεπιδράσεις Coulomb, αναπτύσσονται μοριακές αλληλεπιδράσεις, δυνάμεις Van der Waals και δεσμοί υδρογόνου που συμβάλλουν στη διαμόρφωση του πολυμερούς. Η συμπεριφορά των πολυηλεκτρολυτών σε ένα διάλυμα καθορίζεται από πολλούς παράγοντες, όπως το ph, η ιοντική ισχύς του, η φύση των αντισταθμιστικών ιόντων, το μοριακό βάρος και η θερμοκρασία. Σε αρκετές περιπτώσεις, ο καθορισμός του ph επιτρέπει τον έλεγχο του βαθμού διάστασης των ιονιζόμενων ομάδων

23 Oι ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των φορτίων του πολυιόντος με τα αντισταθμιστικά φορτία είναι ιδιαίτερα σημαντικές, καθώς επηρεάζουν τη συμπεριφορά των πολυηλεκτρολυτών σε διάλυμα, η οποία διαφέρει αρκετά από αυτή των μη ιοντικών πολυμερών. Οι διαφορετικές ιδιότητες και η διαφορετική συμπεριφορά που παρατηρούνται μεταξύ των πολυηλεκτρολυτών και των μη ιοντικών πολυμερών, οφείλονται κυρίως στην ύπαρξη σταθερών φορτίων στην πολυμερική αλυσίδα και στην υψηλότερη διαλυτότητα που εμφανίζουν οι πολυηλεκτρολύτες στο νερό, σε σχέση με τα μη ιοντικά πολυμερή. Η διαλυτότητα των μη ιοντικών πολυμερών στο νερό, οφείλεται στην ισχυρή πόλωση ή στην ικανότητα δημιουργίας δεσμών υδρογόνου των δομικών τους μονάδων, με αποτέλεσμα θερμοδυναμικά επιτρεπτές αλληλεπιδράσεις με τα μόρια του νερού. Οι πολυηλεκτρολύτες διαλύονται στο νερό πολύ πιο εύκολα σε σχέση με τα μη ιοντικά πολυμερή λόγω των ακόλουθων παραγόντων 8 : Το φορτίο των πολυηλεκτρολυτών διευκολύνει τη διάστασή τους προς αντίθετα φορτισμένα ιόντα (αντισταθμιστικά ιόντα) μέσα στο διάλυμα, όπου επιδιαλυτώνονται αυξάνοντας την εντροπία του συστήματος πολυμερούς-διαλύτη. Η ενυδάτωση των πολυηλεκτρολυτών είναι μεγαλύτερη. Οι πολυηλεκτρολύτες έχουν τη δυνατότητα διόγκωσης των αλυσίδων τους στο νερό, με αποτέλεσμα την ελαχιστοποίηση των ηλεκτροστατικών απώσεων μεταξύ των φορτίων και τη διάλυση του πολυμερούς ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ ΜΕ ΕΠΙΦΑΝΕΙΟΔΡΑΣΤΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΟΔΡΑΣΤΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ Οι επιφανειοδραστικές ενώσεις είναι μικρού μοριακού βάρους αμφίφιλες ενώσεις που αποτελούνται από μία λυόφιλη κεφαλή (διαλυτή σε ένα συγκεκριμένο μέσο) και μία λυόφοβη αλυσίδα (αδιάλυτη στο συγκεκριμένο μέσο), η οποία μπορεί να είναι και διακλαδισμένη (Σχήμα 1.4). Εάν το μέσο αυτό είναι το νερό, τότε μιλάμε για υδρόφιλη κεφαλή και υδρόφοβη αλυσίδα, αντίστοιχα. 21

24 Σχήμα 1.4. Χαρακτηριστική δομή επιφανειοδραστικών ενώσεων 15. Υδατικά συστήματα τα οποία αποτελούνται από πολυμερή και επιφανειοδραστικές ενώσεις έχουν κεντρίσει τα τελευταία χρόνια το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας λόγω της μεγάλης τους σημασίας σε βιομηχανικές εφαρμογές (χρώματα, φαρμακευτικά είδη κλπ. ) 16 και της ομοιότητας τους με βιολογικά συστήματα (αλληλεπιδράσεις μεταξύ βιοπολυμερών και βιομεμβρανών ή κυστιδίων). Η συμπεριφορά μιγμάτων πολυμερούς/ επιφανειοδραστικών ουσιών, εξαρτάται από τη λεπτή ισορροπία μεταξύ υδρόφοβων, υδρόφιλων και ιοντικών αλληλεπιδράσεων. Μη ιοντικά πολυμερή παρουσιάζουν αδύναμες αλληλεπιδράσεις με επιφανειοδραστικές ενώσεις, ενώ οι πολυηλεκτρολύτες παρουσιάζουν δυνατές αλληλεπιδράσεις με επιφανειοδραστικές ενώσεις αντίθετου φορτίου. Στη δεύτερη περίπτωση οι ηλεκτροστατικές δυνάμεις παίζουν το μεγαλύτερο ρόλο στη σταθεροποίηση του συμπλόκου του πολυμερούς με την επιφανειοδραστική ένωση 17. Οι επιφανειοδραστικές ενώσεις χωρίζονται σε τρία είδη: Κατιοντικές (CTAB, DTAB, DTAC) Οι κατιοντικές ενώσεις είναι συνήθως άλατα τεταρτοταγών αμινών και έχουν ως αντισταθμιστικό ιόν το ιόν χλωρίου ή το ιόν βρωμίου. Αντιπροσωπευτικό παράδεθγμα αποτελεί το χλωριούχο Ν,Ν,Ν,Ν-δωδεκυλοτριμεθυλαμμώνιο (DTAC), η δομή του οποίου δίνεται στο Σχήμα 1.5. Σχήμα 1.5. Ν,Ν,Ν,Ν-δωδεκυλοτριμεθυλαμμώνιο (DTAC). 22

25 Aνιοντικές (SDS) Οι ανιοντικές επιφανειοδραστικές ενώσεις φέρουν αρνητικά φορτισμένη κεφαλή. Το αρνητικό φορτίο συνήθως οφείλεται σε ομάδες όπως καρβοξυλικές, θειϊκές, σουλφονικές ή φωσφορικές. Ως αντισταθμιστικό ιόν έχουν συνήθως το ιόν νατρίου. Αντιπροσωπευτικά παραδείγματα αποτελούν τα άλατα των αλκυλοβενζοσουλφονικών οξέων ή των αλκυλοθειϊκων εστέρων (R-O-SO 3 - Na + ). Στο Σχήμα 1.6 παρουσιάζεται η πλέον διαδεδομένη ίσως ανιοντική επιφανειοδραστική ένωση, το δωδεκυλοθειϊκό νάτριο (SDS). Σχήμα 1.6. Δωδεκυλοθειϊκό Νάτριο (SDS). Mη ιοντικές (Πολυοξυαιθυλενικοί αλκυλαιθέρες) Οι μη ιοντικές επιφανειοδραστικές ενώσεις δε φέρουν κάποιο φορτίο. Το πολικό τμήμα αποτελείται συνήθως από αλυσίδες αιθυλενοξειδίου ή ομάδες τύπου σακχάρου και είναι της μορφής A-(OC 2 H 4 )-OH, όπου το Α είναι αλκύλιο ή αρωματική ομάδα. Ένα τυπικό παράδειγμα παρουσιάζεται στο Σχήμα 1.7 (δωδεκυλαιθέρας του πενταιθυλενοξειδίου, C 12 E 5 ). Σχήμα 1.7. Δωδεκυλαιθέρας του πενταιθυλενοξειδίου (C 12 E 5 ). Οι επιφανειοδραστικές ενώσεις έχουν την ικανότητα να προσροφώνται σε επιφάνειες και διεπιφάνειες. Το γεγονός αυτό οφείλεται στην τάση που υπάρχει να μειωθεί η ελεύθερη ενέργεια των διεπιφανειών. Χαρακτηριστική ιδιότητα των επιφανειοδραστικών ενώσεων είναι η δημιουργία μικκυλίων σε υδατικά διαλύματα, όπου η υδρόφοβη αλυσίδα βρίσκεται στο κέντρο αυτών και η πολική κεφαλή στο εξωτερικό μέρος, σε επαφή με το νερό (Σχήμα 1.8). Και σε αυτήν την περίπτωση, όπως και στην περίπτωση της αυτοοργάνωσης των πολυμερών μέσα σε υδατικά διαλύματα, η συγκέντρωση στην οποία πρωτοεμφανίζονται τα μικκύλια λέγεται κρίσιμη συγκέντρωση μικκυλοποίησης (critical micelle concentration, cmc). 23

26 . Σχήμα 1.8. Συσχέτιση χαρακτηριστικών επιφανειοδραστικών ενώσεων και μικκυλίων. Ένα ακόμη χαρακτηριστικό μέγεθος για την περιγραφή των μικκυλίων είναι ο αριθμός συσσωμάτωσης, Ν, ο οποίος εκφράζει τον αριθμό των μορίων επιφανειοδραστικής ένωσης που συμμετέχει σε ένα μικκύλιο ΜΙΚΤΑ ΣΥΣΣΩΜΑΤΩΜΑΤΑ ΠΟΛΥΜΕΡΟΥΣ/ΕΠΙΦΑΝΕΙΟΔΡΑΣΤΙΚΗΣ ΕΝΩΣΗΣ Από τη δεκαετία του 1980 και έπειτα η αλληλεπίδραση των πολυμερών με τις επιφανειοδραστικές ενώσεις αρχίζει να διερευνάται πλέον σε μεγάλο βαθμό, με στόχο την εξακρίβωση της δομής και των ιδιοτήτων των σχηματιζόμενων μικτών συσσυματωμάτων, καθώς και των μηχανισμών αλληλεπίδρασης 18. Υπάρχουν διάφοροι τύποι αλληλεπίδρασης των πολυμερών με τις επιφανειοδραστικές ενώσεις. Η πιο σημαντική όμως με την οποία ασχολείται και η παρούσα εργασία είναι οι αλληλεπιδράσεις πολυηλεκτρολυτών με αντίθετα φορτισμένες επιφανειοδραστικές ενώσεις. Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, οι επιφανειοδραστικές ενώσεις στο νερό τείνουν να σχηματίσουν μικκύλια. Η ηλεκτροστατική άπωση όμως μεταξύ των όμοια φορτισμένων κεφαλών στο εξωτερικό μέρος του μικκυλίου και καθώς και η επαφή με το νερό των εναπομεινουσών υδρόφοβων αλυσίδων στην περιφέρεια του μικκυλίου, αποτελούν ανασταλτικούς παράγοντες για τον σχηματισμό αυτών. Κατά την αλληλεπίδραση πολυηλεκτρολυτών με επιφανειοδραστικές ενώσεις, το πολυμερές αναδιπλώνεται γύρω από τα μικκύλια ώστε να αναιρεθούν οι δύο αυτές τάσεις, με συνέπεια τη μείωση της ελεύθερης ενέργειας του συστήματος. Έτσι δημιουργούνται σύμπλοκα πολυηλεκτρολύτη-επιφανειοδραστικής ένωσης, με ταυτόχρονη απελευθέρωση αντισταθμιστικών ιόντων στο διάλυμα. Τα συστήματα πολυμερών/επιφανειοδραστικών ενώσεων, χαρακτηρίζονται από μία «κρίσιμη συγκέντρωση συσσωμάτωσης» CAC, πάνω από την οποία αρχίζουν να 24

27 σχηματίζονται τα σύμπλοκα πολυηλεκτρολυτών με τις αντίθετα φορτισμένες επιφανειοδραστικές ενώσεις, ενώ προσεγγίζοντας τη στοιχειομετρία φορτίων παρατηρείται μακροσκοπικός διαχωρισμός φάσεων (Σχήμα 1.9). Σχήμα 1.9. Σχηματική αναπαράσταση συσσωματώματος πολυμερούς/επιφανειοδραστικής ένωσης. Ουσιαστικά η παρουσία του πολυμερούς στο υδατικό διάλυμα επάγει, μέσα από διάφορες πιθανές αλληλεπιδράσεις, την οργάνωση των μορίων (ιόντων) της επιφανειοδραστικής ένωσης σε δομές τύπου μικκυλίου, στις οποίες εμπλέκεται και το πολυμερές. Συνήθως η κρίσιμη συγκέντρωση συσσωμάτωσης έιναι μικρότερη της αντίστοιχης συγκέντρωσης μικκυλοποίησης (cmc) της επιφανειοδραστικής ένωσης. Οι βασικές κινούσες δυνάμεις για τη συμπλοκοποίηση είναι συνήθως ηλεκτροστατικές έλξεις ή δεσμοί υδρογόνου σε συνεργεία με υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις. H μελέτη της αλληλεπίδρασης των επιφανειοδραστικών ενώσεων με τα πολυμερή και η εξάρτησή της από τη συγκέντρωσή τους πραγματοποιείται με τη χρήση τεχνικών όπως η ιξωδομετρία, η επιφανειακή τάση και η ιοντική αγωγιμότητα. Για την ανάλυση της δομής συσσωματωμάτων πολυμερούς-επιφανειοδραστικής ένωσης, χρήσιμες πληροφορίες λαμβάνονται με τεχνικές όπως η ιχνηθέτηση με φθορίζοντες ιχνηθέτες, η σκέδαση νετρονίων σε μικρές γωνίες (SANS), η φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR), ο συντονισμός ηλεκτρονικού spin (ESR) και η ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης (ΤΕΜ) 19,20,21,22,23. Τα διάφορα στάδια της διεργασίας συμπλοκοποίησης ενός πολυηλεκτρολύτη με μια αντίθετα φορτισμένη επιφανειοδραστική ένωση παρουσιάζονται στο Σχήμα 1.10, σύμφωνα με το μοντέλο των Cabane και Dupplesix 19,24,25. Σε πολύ μικρές συγκεντρώσεις της επιφανειοδραστικής ένωσης ενδέχεται να πραγματοποιείται δέσμευση της από τον αντίθετα φορτισμένο πολυηλεκτρολύτη. Η αλληλεπίδραση στο στάδιο αυτό είναι κατ αρχήν στατιστική και αυξανομένου του βαθμού δέσμευσης μπορεί να οδηγεί στη δημιουργία των πρώτων συσσωματωμάτων. 25

28 Σχήμα Σχηματική αναπαράσταση των σταδίων αλληλεπίδρασης πολυηλεκτρολύτη/επιφανειοδραστικής ένωσης 26. Ωστόσο η ουσιαστική δέσμευση της επιφανειοδραστικής ένωσης συμβαίνει όταν η συγκέντρωσή της προσεγγίσει την κρίσιμη συγκέντρωση συσσωμάτωσης, cac, και χαρακτηρίζεται από έντονο συνεργιστικό χαρακτήρα. Η δέσμευση της επιφανειοδραστικής ένωσης συνεχίζεται μέχρι πλήρους κάλυψης της πολυμερικής αλυσίδας και μηδενισμού του καθαρού φορτίου του σχηματιζόμενου συμπλόκου. Στην περιοχή αυτή συνήθως παρατηρείται και διαχωρισμός φάσεων. Παράγοντες που μπορεί να επηρεάσουν τη συσσωμάτωση είναι, η υδροφοβικότητα της επιφανειοδραστικής ένωσης, η γραμμική πυκνότητα φορτίου, η υδροφοβικότητα της αλυσίδας και η εισαγωγή ουδέτερων ομάδων κατά μήκος της αλυσίδας. Οι περισσότερες βασικές μελέτες για την κατανόηση της επίδρασης των παραπάνω παραμέτρων έχουν πραγματοποιηθεί χρησιμοποιώντας πολυμερή, όπως το πολυ(ακρυλικό νάτριο), PANa 27,28,29,30,31,και το πολυ(στυρενοσουλφονικό νάτριο), PSSNa 32,33,34,35, ΠΟΛΥΜΕΡΗ ΜΕ ΒΙΟΣΤΑΤΙΚΗ ΔΡΑΣΗ Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η επεξεργασία του προβλήματος της ανάπτυξης μικροοργανισμών σε υλικά που εκτίθενται σε συνθήκες υγρασίας ή σε μολυσματικές συνθήκες. Τέτοια υλικά μπορεί να είναι: Δίχτυα υδατοκαλλιεργειών Πολυμερικά υλικά συσκευασίας τροφίμων Πολυμερικά υλικά αποθήκευσης φαρμάκων Νοσοκομειακά υφάσματα Ύφαλα πλοίων 26

29 Η ανάπτυξη θαλάσσιων βιοαποθέσεων σε δίχτυα υδατοκαλλιεργειών και στην υποθαλάσσια επιφάνεια των πλοίων αποτελεί ένα πολύ ουσιαστικό πρόβλημα με οικονομικές και οικολογικές συνέπειες. Συνήθεις μικροοργανισμοί που συναντώνται μπορεί να είναι βακτήρια, μύκητες ή φύκη (Εικόνα 1.1). Εικόνα 1.1. Συνηθέστεροι τύποι μικροοργανισμών που απαντώνται σε δίχτυα υδατοκαλλιεργειών και ύφαλα πλοίων. Ένα πεδίο της επιστημονικής έρευνας των πολυμερών που παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον και αποτελεί λύση του προβλήματος που παρουσιάστηκε παραπάνω, είναι αυτό της ανάπτυξης πολυμερών με βιοστατική δράση. Τα αντιμικροβιακά πολυμερή, είναι μία κατηγορία πολυμερών με την ικανότητα να αναστέλλουν την ανάπτυξη των μικροοργανισμών. Συνήθως παράγονται μέσω της πρόσδεσης ή εισαγωγής μιας ενεργής αντιμικροβιακής ομάδας πάνω σε μια πολυμερική αλυσίδα μέσω ενός άλκυλο- ή ακέτυλο- συνδετικού μορίου. Στην παρούσα εργασία θα ασχοληθούμε με την επεξεργασία του προβλήματος της ανάπτυξης μικροοργανισμών σε δίχτυα υδατοκαλλιεργειών, αναπτύσσοντας νέα πολυμερή με βιοστατική δράση ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΑ ΒΙΟΣΤΑΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΠΟΥ ΠΕΡΙΕΧΟΥΝ ΜΕΤΑΛΛΟΪΟΝΤΑ Μέχρι πριν λίγα χρόνια, τα βιοστατικά υλικά που χρησιμοποιούνταν στα ύφαλα των πλοίων και στα δίχτυα υδατοκαλλιεργειών βασίζονταν σε ενώσεις του κασσιτέρου (ΤΒΤs) και άλλες βιοστατικές ενώσεις. Ωστόσο, τα χρώματα αυτά έχουν απαγορευθεί λόγω της υψηλής τοξικότητας του κασσιτέρου, με αποτέλεσμα το ενδιαφέρον την επιστημονικής κοινότητας να συγκεντρώνεται στη σύνθεση και εφαρμογή βιοστατικών υλικών περισσότερο φιλικών προς το περιβάλλον που αντιμετωπίζουν αποτελεσματικά το πρόβλημα των θαλάσσιων βιοαποθέσεων στην επιφάνεια των πλοίων και στα δίχτυα υδατοκαλλιεργειών, μέσα από διάφορες προσεγγίσεις. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος της ανάπτυξης μικροοργανισμών όπως οι παραπάνω χρησιμοποιούνται πλέον χημικές ενώσεις που έχει παρατηρηθεί ότι έχουν αντιμικροβιακή (βιοστατική) δράση όπως διάφορα μέταλλα και άλατα βαρέων μετάλλων. 27

30 Ένα τέτοιο υλικό το οποίο θα μελετηθεί στην παρούσα εργασία είναι ο χαλκός και συγκεκριμένα τα ιόντα του δισθενούς χαλκού. Συγκεκριμένα για το χαλκό γνωρίζουμε ότι είναι: Είναι καλό περιβαλλοντικά υλικό, ελάχιστα λιπόφιλο. Παρουσιάζει απουσία βιοσυσσώρευσης σε ζωντανούς οργανισμούς. Κύρια βιοστατική μορφή του χαλκού είναι ο δισθενής Cu 2+. Μόνο το 6% της συνολικής συγκέντρωσης απελευθερούμενου χαλκού βρίσκεται στη δραστική του μορφή. Συνήθως για να αναπτυχθούν αλληλεπιδράσεις μεταξύ ιόντων μετάλλων και υδατοδιαλυτών πολυμερών θα πρέπει το πολυμερές να είναι ένας ασθενής ή ισχυρός πολυηλεκτρολύτης. Ο τύπος της αλληλεπίδρασης εξαρτάται από τη φύση των χαρακτηριστικών ομάδων των πολυμερών, τη θέση αυτών στην πολυμερική αλυσίδα, το είδος των ιόντων μετάλλου, το ph του διαλύματος, τη θερμοκρασία, την ιοντική ισχύ και άλλους παράγοντες 37,38. Οι αλληλεπιδράσεις πολυμερών με τα ιόντα μετάλλων μπορούν να ταξινομηθούν σε 2 κατηγορίες: Α) ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις μέσω ιονοανταλλαγής ή εξουδετέρωσης ανάλογα με τη μορφή στην οποία βρίσκεται το ιόν του μετάλλου (άλας ή υδροξείδιο αντίστοιχα) αλλά και το πολυμερές, και Β) συμπλοκοποίηση. Το είδος της αλληλεπίδρασης καθορίζεται από το είδος των ομάδων που συμμετέχουν. Στην περίπτωση της ηλεκτροστατικής αλληλεπίδρασης χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι τα πολυμερή και συμπολυμερή του πολυ(στυρενοσουλφονικού Νατρίου) (PSSNa) (άλας ισχυρού οξέος), ενώ όταν οι ομάδες που αλληλεπιδρούν είναι καρβοξύλια ή αμινομάδες, η αλληλεπίδραση λαμβάνει χώρα μέσω συμπλοκοποίησης. Οι ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις μέσω της διαδικασίας ανταλλαγής των αντισταθμιστικών ιόντων ενός πολυμερούς και ενός άλατος μετάλλου έχουν μελετηθεί εκτενώς και ιδιαίτερα η περίπτωση ιονοανταλλαγής του νατρίου του PSSNa από μέταλλα όπως ο χαλκός 39,40,41,42,43.44,45,46,47. Παράγοντες που επηρεάζουν την αλληλεπίδραση τους είναι η ιοντική ισχύς, ο βαθμός εξουδετέρωσης, η φύση και το είδος του μετάλλου, η συγκέντρωση του πολυμερούς και η θερμοκρασία 41,42. Οι ηλεκτροστρατικές αλληλεπιδράσεις μπορεί να είναι μεγάλης ή μικρής έκτασης. Στην πρώτη περίπτωση τα αντισταθμιστικά ιόντα δεν είναι δεσμευμένα σε μια συγκεκριμένη θέση αλλά κινούνται κατά μήκος της αλυσίδας. Στη δεύτερη περίπτωση τα ιόντα συγκρατούνται σε συγκεκριμένες θέσεις αλληλεπιδρώντας με μία ή δύο φορτισμένες ομάδες. Όταν τα πολυμερή που αλληλεπιδρούν με τα ιόντα μετάλλων φέρουν καρβοξυλικές ομάδες, τότε ανεξάρτητα του τρόπου εισαγωγής του μετάλλου το αποτέλεσμα είναι η δημιουργία συμπλόκου ένταξης, επηρεάζοντας σε μεγάλο βαθμό τις ιδιότητες των πολυμερών, κυρίως τη φυσικοχημική συμπεριφορά και τη διαλυτότητά τους στο νερό. Τα καρβοξυλικά ιόντα μπορούν να λειτουργούν ως μονοδοντικοί ή δυδοντικοί υποκαταστάτες των μετάλλων. Η διαμόρφωση της αλυσίδας του πολυηλεκτρολύτη εξαρτάται από το ph το διαλύματος. Σε υψηλές τιμές του ph, η διαμόρφωση είναι εκτεταμένη λόγω των ηλεκτροστατικών απώσεων από τις φορτισμένες ομάδες της αλυσίδας. Τότε το ιόν του 28

31 μετάλλου ενώνεται με μία ή δύο καρβοξυλικές ομάδες. Η αλληλεπίδραση μετάλλων με πολυοξέα είναι μια ισόθερμη διαδικασία. Έτσι τα σχηματιζόμενα σύμπλοκα πρέπει να σταθεροποιηθούν λόγω των μεγάλων αλλαγών στον εντροπικό παράγοντα. Αντιθέτως, οι σουλφονομάδες για παράδειγμα ευνοούν τις ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις. Στο Σχήμα 1.11 απεικονίζονται οι πιθανές δομές για τα δύο είδη αλληλεπιδράσεων πολυμερώνμετάλλων. Η αλληλεπίδραση των μετάλλων με τα πολυμερή μπορεί να έιναι είτε ενδομοριακή είτε διαμοριακή. Στη δεύτερη περίπτωση έχουμε σχετικά μεγαλύτερη χημική και θερμική σταθερότητα. α) β) Σχήμα Πιθανός μηχανισμός αλληλεπίδρασης πολυμερών-μετάλλων.α) Καρβοξυλικές ομάδες (συμπλοκοποίηση) και β) σουλφονομάδες (ηλεκτροστατική αλληλεπίδραση). Πολυμερή που συνήθως μετέχουν στη συμπλοκοποίηση ιόντων χαλκού αλλά και άλλων μετάλλων είναι τα πολυμερή του ακρυλικού οξέος (PAA) 48,49,50 και του μεθακρυλικού οξέος (PMMA) αλλά και πολυμερή του μηλεϊνικού οξέος (ΜΑc). Επιπλέον, συμπολυμερή του μηλεϊνικού οξέος με υδρόφιλες ομάδες, όπως το ακρυλικό οξύ 46 και το στυρενοσουλφονικό νάτριο 46,47 έχουν μελετηθεί εκτενώς ως προς την αλληλεπίδρασή τους με ιόντα του δισθενούς χαλκού ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΑ ΒΙΟΣΤΑΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΠΟΥ ΠΕΡΙΕΧΟΥΝ ΑΛΑΤΑ ΤΕΤΑΡΤΟΤΑΓΟΥΣ ΑΖΩΤΟΥ Εκτός από την περίπτωση των μεταλλοϊόντων έχει μελετηθεί και η βιοστατική δράση επιφανειοδραστικών ενώσεων όπως τα τεταρτοταγή άλλα φωσφονίου 51. Στην παρούσα εργασία θα γίνει μελέτη πολυμερικών βιοστατικών υλικών που περιέχουν άλατα τεταρτοταγούς αζώτου (QAs), που λειτουργούν σαν επιφανειοδραστική ένωση. Τα άλατα αυτά συμπεριλαμβάνονται στα κατιοντικά βιοστατικά και αποτελούνται από μία υδρόφιλη κεφαλή και μία αλειφατική αλυσίδα τουλάχιστον 8 ατόμων άνθρακα (Σχήμα 1.12). 29

32 R R N + X - R Σχήμα Γενική χημική δομή επιφανειοδραστικής ένωσης τεταρτοταγών αλάτων αζώτου. Η βιοστατική τους δράση είναι γνωστή εδώ και πολλά χρόνια. Παρουσιάζουν αντιμικροβιακή δράση έναντι μεγάλου φάσματος μικροοργανισμών όπως τα βακτήρια, τα φύκη και οι μύκητες. Τα στάδια του μηχανισμού δράσης τους είναι τα εξής: Απορρόφηση του θετικά φορτισμένου τμήματος του αμμωνίου από μια αρνητικά φορτισμένη επιφάνεια του βακτηριακού κυττάρου με ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις. Διάχυση μέσω της μεγάλης λιπόφιλης αλειφατικής αλυσίδας. Σύνδεση στην πλασματική μεμβράνη. Διάσμαση της πλασματικής μεμβράνης. Έκλυση των συστατικών της πλασματικής μεμβράνης. Θανάτωση του οργανισμού. Τα χαρακτηριστικά που εμφανίζει αυτή η κατηγορία υλικών είναι. Είναι επιφανειακώς ενεργά. Έχουν σημαντική βιοστατική δράση. Έχουν σταθερότητα και μεγάλη διάρκεια στη δράση τους. Δεν έχουν επιπτώσεις στο περιβάλλον. Παρόγοντες που επηρεάζουν τη βιοστατική δράση των υλικών αυτών είναι : Το μοριακό βάρος του πολυμερούς Το μήκος της αλκυλικής αλυσίδας της βιοστατικής ένωσης Η υδροφιλικότητα/υδροφοβικότητα Η φύση των αντισταθμιστικών ιόντων 30

33 ΣΥΝΔΥΑΣΜΟΣ ΙΟΝΤΩΝ Cu 2+ ΚΑΙ ΑΛΑΤΩΝ ΤΕΤΑΡΤΟΤΑΓΟΥΣ ΑΖΩΤΟΥ ΣΕ ΕΝΑ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΟ ΒΙΟΣΤΑΤΙΚΟ ΥΛΙΚΟ Στα πλαίσια αυτών των προβληματισμών, η παρούσα εργασία είχε ως στόχο τη διερεύνηση της δυνατότητας ανάπτυξης πολυμερικών υλικών, τα οποία θα φέρουν εναλλακτικές βιοστατικές ενώσεις, όπως τα ιόντα του δισθενούς χαλκού, Cu 2+, αλλά και κατιοντικές επιφανειοδραστικές ενώσεις. Οι δύο κατηγορίες βιοστατικών ουσιών μπορούν να χρησιμοποιηθούν ανεξάρτητα ή σε συνδυασμό, κάνοντας πιθανή την εμφάνιση συνεργιστικών συμπεριφορών. Στόχος λοιπόν είναι να διερευνηθούν ομοιοπολικοί και μη ομοιoπολικοί τρόποι δέσμευσης της βιοστατικής ένωσης, ώστε αυτή να απελευθερώνεται σταδιακά όταν έρχεται σε επαφή με το θαλασσινό περιβάλλον και το πολυμερικό υλικό να καθίσταται σταδιακά υδατοδιαλυτό. Αυτό θα επιτρέψει την κατά βούληση ρύθμιση της διαλυτότητας των τελικών υλικών σε θαλασσινό νερό, προσδίδοντας χαρακτηριστικά αυτοκαθαρισμού. Οι ιδιότητες των τελικών προϊόντων (ρυθμός αποδέσμευσης βιοστατικών ουσιών, βιοστατική δράση, αυτοκαθαρισμός, κ.α.) θα εξαρτώνται από μία σειρά παραγόντων όπως ο μηχανισμός δέσμευσης των βιοστατικών ουσιών, το είδος της κατιοντικής επιφανειοδραστικής ένωσης, η χημική δομή και η αρχιτεκτονική των πολυμερών που θα χρησιμοποιηθούν, η υδροφοβικότητα/ υδροφιλικότητα των πολυμερών, αλλά και ιδιότητες όπως η συμβατότητα (και η διασπορά) των παρασκευασθέντων πολυμερικών βιοστατικών με τα υπόλοιπα συστατικά που σχηματίζουν το τελικό χρώμα. Για την εισαγωγή των ιόντων Cu 2+ διερευνήθηκαν δύο εναλλακτικές δυνατότητες: α) ηλεκτροστατική δέσμευση, όπου τα ιόντα Cu 2+ αποτελούν τα αντισταθμστικά ιόντα ενός ισχυρού πολυηλεκτρολύτη που φέρει σουλφονικές ομάδες όπως το στυρενοσουλφονικό νάτριο (SSNa) και β) σχηματισμός συμπλόκων ένταξης (coordination) μεταξύ των ιόντων Cu 2+ και πολυμερών που φέρουν καρβοξυλικές ομάδες, όπως το μηλεϊνικό οξύ (ΜΑc) χρησιμοποιώντας τη μετά νατρίου άλατος μορφή του. Όσον αφορά στις επιφανειοδραστικές ενώσεις, επιλέχθηκαν τεταρτοταγή άλατα του αμμωνίου, προκειμένου να διερευνηθεί η επίδραση της φύσης της θετικά φορτισμένης κεφαλής στις μελετώμενες ιδιότητες. Για τη δέσμευσή τους από τα πολυμερή εκμεταλλευτήκαμε τη γνωστή ιδιότητα σχηματισμού δυσδιάλυτων στο νερό «συμπλόκων» ηλεκτροστατικής φύσης με τους αντίθετα φορτισμένους πολυηλεκτρολύτες. Ανάλογη ερευνητική εργασία έχει δείξει τη βιοστατική δράση συμπολυμερών του μηλεϊνικού οξέος με το στυρενοσουλφονικό νάτριο (P(SSNa-co-MA) (Σχήμα 1.13 α) ή τον οξικό βινυλεστέρα P(VAc-co-MA) (Σχήμα 1.13 β), καθώς και των συμπολυμερών του στυρενίου με ακρυλικό οξύ (P(St-co-AA)) (Σχήμα 1.13 γ), χρησιμοποιώντας ως βιοστατικά είδη τεταρτοταγή άλατα φωσφονίου (Σχήμα 1.14) και/ή ιόντα δισθενούς χαλκού

34 α)p(ssna-co-ma) β) P(VAc-co-MA) γ)p(st-co-aa) Σχήμα Χημική δομή του α) συμπολυμερούς του στυρενοσουλφονικού Νατρίου (SSNa) και του μηλεϊνικού οξέος (MA),β) του συμπολυμερούς του οξικού βινυλεστέρα με μηλεϊνικό οξύ P(VAc-co-MΑ) και γ) του συμπολυμερούς του στυρενίου (St) με ακρυλικό οξύ (AA) 51. Σχήμα Χημική δομή της επιφανειοδραστικής ένωσης άλατος φωσφονίου 42. τεταρτοταγούς 32

35 Η συνεργιστική δράση των παραπάνω βιοστατικών ειδών οδηγεί σε βιοστατικά πολυμερικά υλικά τα οποία χρησιμοποιήθηκαν στην παρασκευή χρωμάτων (με τη χρήση εμπορικών μητρών βασισμένες σε υδρο-διαβρώσιμα δίκτυα ροζίνης και σε υδρόφοβο, μηυδατοδιαλυτό βινυλικό δίκτυο) με βιοστατική δράση για τα ύφαλα πλοίων (antifouling), προς αποφυγήν θαλάσσιων βιοαποθέσεων. Συγκεκριμένα παρασκευάστηκαν βιοστατικά πολυμερικά διαλύματα με τα οποία επικαλύφθηκαν ατσάλινες επιφάνειες συγκεκριμένου εμβαδού, οι οποίες στη συνέχεια βυθίστηκαν στη θάλασσα. Στην Εικόνα 1.2 παρουσιάζονται φωτογραφίες πριν και μετά τη βύθιση των ατσάλινων επιφανειών στη θάλασσα. Εικόνα 1.2. Φωτογραφίες από την κατασκευή στην οποία στηρίζονται οι βαμμένες σε βιοστατικό πολυμερικό διάλυμα ατσάλινες επιφάνειες πριν (αριστερα) και μετά (δεξιά) τη βύθισή τους στη θάλασσα 51. Διαπιστώθηκε ότι οι μήτρες που είναι βασισμένες σε ροζίνη αποτρέπουν τις θαλάσσιες βιοαποθέσεις να προσκολληθούν επάνω στις επιφάνειες, ακόμη και για διάστημα έξι μηνών. Επίσης διαπιστώθηκε ότι τη μεγαλύτερη βιοστατική δράση έχουν τα πολυμερικά υλικά που περιέχουν ιόντα δισθενούς χαλκού ή συνδυασμό ιόντων χαλκού και επιφανειοδραστικής ένωσης. Επίσης, αποδείχθηκε ότι η αποδέσμευση των ιόντων Cu 2+, από τα υλικά που τα περιέχουν, εξαρτάται από την ισορροπία υδροφοβικότητας/υδροφιλικότητας της πολυμερικής αλυσίδας. Ανάλογη βιοστατική δράση έχει παρατηρηθεί και στην περίπτωση του «συμπλόκου» PSSAmC16 του PSSNa με επιφανειοδραστικές ενώσεις τεταρτοταγούς αμμωνίου όπως το CTAB, το οποίο είχε ενσωματωθεί σε πολυμερικές μήτρες πολυ(μεθακρυλικού μεθυλεστέρα) (PMMA) 52 (Σχήμα 1.15). 33

36 Σχήμα Χημική δομή της πολυμερικής μήτρας (PMMA) και του βιοστατικού πολυμερικού υλικού PSSAmC Η αποδέσμευση του πολυμερικού βιοστατικού υλικού ερευνήθηκε με τη διαδικασία της παρασκευής μεμβρανών (films) σε διάφορες αναλογίες πολυμερούς/μήτρας και στη συνέχεια με τη βύθιση των μεμβρανών σε υδατικό διάλυμα NaCl. Η αποδέσμευση του βιοστατικού υλικού P(SSAmC16) από την πολυμερική μήτρα προσδιορίστηκε μέσω των τεχνικών ΤOC (Τotal Organic Carbon) και TN (Total Nitrogen), οι οποίες μετρούν τον απελευθερούμενο άνθρακα και άζωτο, αντίστοιχα, μέσα σε υδατικό διάλυμα. Το διάγραμμα του απελευθερούμενου άνθρακα και αζώτου μέσα σε υδατικό διάλυμα NaCl σε συνάρτηση με το χρόνο παρουσιάζεται στο Σχήμα Σχήμα Εξάρτηση της αποδέσμευσης άνθρακα (αριστερά) και αζώτου (δεξιά) από τον χρόνο επαφής με υδατικό διάλυμα NaCl 0,5 M. 34

37 Όπως ήταν αναμενόμενο οι τιμές TOC και ΤΝ είναι μηδενικές για την περίπτωση του PMMA. Στις περιπτώσεις όπου το PMMA περιέχει βιοστατικό πολυμερικό υλικό PSSAmC16, άνθρακας και άζωτο ανιχνεύονται μέσα στα υδατικά διαλύματα, γεγονός που υποδεικνύει την αποδέσμευση του βιοστατικού υλικού κάτω από αυτές τις συνθήκες. Αντίστοιχα παρατηρείται ότι η συγκέντρωση του άνθρακα και του αζώτου μέσα στο διάλυμα είναι ανάλογη με την περιεκτικότητα του PSSAmC16 μέσα στην πολυμερική μήτρα PMMA. 35

38 36

39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ ΝΕΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 2.1 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ Φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού υδρογόνου ( 1 H- NMR) Η φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR) είναι η χρησιμότερη φασματοσκοπική τεχνική μέθοδος χαρακτηρισμού για τον προσδιορισμό της δομής των μορίων. Η μέθοδος αυτή βασίζεται στις μαγνητικές ιδιότητες των πυρήνων των ατόμων. Πολλά είδη πυρήνων συμπεριφέρονται σαν να περιστρέφονται γύρω από κάποιον άξονα. Δεδομένου ότι είναι θετικά φορτισμένοι, οι περιστρεφόμενοι πυρήνες λειτουργούν ως μικροσκοπικοί μαγνήτες και κατά συνέπεια αλληλεπιδρούν με ένα ισχυρό εξωτερικό μαγνητικό πεδίο (Η 0 ) 53. Εκτός από τα ηλεκτρόνια, έτσι και τα πυρηνικά σωματίδια όπως το πρωτόνιο ( 1 Η) έχουν ιδιοπεριστροφή (spin) γύρω από τους άξονες που διέρχονται από το κέντρο τους και άρα έχουν κβαντισμένη στροφορμή η οποία καθορίζεται από τον κβαντικό αριθμό στροφορμής. Ο αριθμός αυτός για τα πρωτόνια και τα νετρόνια λαμβάνει τιμές +1/2 και -1/2. Αποτέλεσμα της στροφορμής των πυρηνικών σωματιδίων είναι οι περισσότεροι πυρήνες, να έχουν μία ολική στροφορμή που δίνεται από τη Σχέση 2.1. : h/2π * [Ι(Ι+1)] 1/2 ( 2.1) όπου I είναι ο πυρηνικός κβαντικός αριθμός στροφορμής 54. Ο κβαντικός αριθμός Ι αποτελεί μία χαρακτηριστική σταθερά του πυρήνα και εξαρτάται από τον αριθμό των πυρηνικών σωματιδίων και τη συμμετρία της κατανομής του φορτίου του πυρήνα. Τα πυρηνικά spin των μαγνητικών πυρήνων προσανατολίζονται, απουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, κατά τυχαίο τρόπο. Όταν όμως ένα δείγμα που περιέχει αυτούς τους πυρήνες τοποθετηθεί ανάμεσα στους πόλους ενός ισχυρού μαγνήτη, οι πυρήνες αποκτούν συγκεκριμένους προσανατολισμούς. Ένας περιστρεφόμενος πυρήνας 1 Η μπορεί να αποκτήσει τέτοιο προσανατολισμό, ώστε το δικό του εξαιρετικά μικρό μαγνητικό πεδίο να διαταχθεί είτε παράλληλα είτε αντιπαράλληλα προς το εξωτερικό πεδίο. Οι δύο προσανατολισμοί δεν έχουν την ίδια ενέργεια, συνεπώς δεν είναι εξίσου πιθανοί. Ο παράλληλος προσανατολισμός είναι χαμηλότερης ενέργειας ευνοώντας σχετικά αυτή την κατάσταση του spin έναντι του αντιπαράλληλου προσανατολισμού. Αν οι προσανατολισμένοι πυρήνες ακτινοβοληθούν με κατάλληλης συχνότητας ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, λαμβάνει χώρα απορρόφηση ενέργειας και η κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας αλλάζει φορά προς την κατάσταση υψηλότερης 37

40 ενέργειας (αναστροφή spin). Όταν πραγματοποιηθεί αυτή η αναστροφή, λέγεται ότι οι πυρήνες έχουν συντονιστεί με την εφαρμοζόμενη ακτινοβολία, για το λόγο αυτό χρησιμοποιούμε και τον όρο «πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός» 53. Επομένως, ένα φάσμα πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR) είναι ουσιαστικά ένα διάγραμμα με τετμημένη τη συχνότητα των κορυφών απορρόφησης και τεταγμένη την ένταση των κορυφών αυτών 54. Η ακριβής συχνότητα που απαιτείται για το συντονισμό εξαρτάται από την ισχύ του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου και από το είδος του πυρήνα. Αν χρησιμοποιηθεί πολύ ισχυρό μαγνητικό πεδίο, η ενεργειακή διαφορά μεταξύ των δύο καταστάσεων spin είναι μεγάλη, οπότε απαιτείται ακτινοβολία υψηλότερης συχνότητας (υψηλότερης ενέργειας) για να επιτευχθεί αναστροφή του spin. Αντίθετα, αν χρησιμοποιηθεί ασθενέστερο μαγνητικό πεδίο απαιτείται λιγότερη ενέργεια για να πραγματοποιηθεί η αναστροφή. Για παράδειγμα, σε ένα μαγνητικό πεδίο ισχύος 1,41 Tesla (T), απαιτείται ενέργεια ραδιοσυχνότητας (rf, radiofrequency) γύρω στα 60 MHz (1 MHz = 10 6 Hz), για να συντονίσει έναν πυρήνα 1 Η 53. Τα φάσματα NMR αποτυπώνονται σε γραφήματα, που εμφανίζουν την ισχύ του εφαρμοζόμενου πεδίου να αυξάνεται από τα αριστερά προς τα δεξιά Έτσι, το αριστερό τμήμα του γραφήματος είναι η πλευρά χαμηλού πεδίου και το δεξιό η πλευρά υψηλού πεδίου. Για να προσδιορίσουμε τη θέση μίας απορρόφησης, το γράφημα του NMR βαθμολογείται και χρησιμοποιείται κάποιο σημείο αναφοράς. Στην πράξη, προστίθεται στο προς μελέτη δείγμα μία μικρή ποσότητα τετραμεθυλοσιλανίου [TMS, (CH 3 ) 4 Si], ώστε όταν λαμβάνουμε το φάσμα να δημιουργείται μια απορρόφηση αναφοράς. Το TMS χρησιμοποιείται ως απορρόφηση αναφοράς στις μετρήσεις του 1 Η, επειδή στο φάσμα εμφανίζει μία μόνο κορυφή, που παρατηρείται σε υψηλότερο πεδίο από τις απορροφήσεις των περισσότερων οργανικών ενώσεων. Η θέση στο γράφημα, όπου ένας πυρήνας απορροφάται, καλείται χημική μετατόπιση, δ. Η χημική μετατόπιση του TMS ορίζεται κατά σύμβαση ως ίση με το μηδέν, ενώ οι άλλες απορροφήσεις εμφανίζονται κατά κανόνα σε χαμηλότερο πεδίο (αριστερά του TMS). Η κλίμακα της χημικής μετατόπισης, δ, συνήθως εκφράζεται σε ppm (parts per million), δηλαδή σε 1 μέρος στο εκατομμύριο της συχνότητας λειτουργίας του φασματομέτρου (Σχέση 2.2) 53. Παρατηρούμενη χημική μετατόπιση (σε σχέση με το TMS) δ = (2.2) Συχνότητα φασματομέτρου σε MHz 38

41 2.1.2 ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ ΥΠΕΡΥΘΡΟΥ (ATR-IR) Η φασματοσκοπία υπερύθρου είναι μια μέθοδος που βασίζεται στην απορρόφηση υπερύθρου (μήκη κύματος από 1 έως 100 μm) από κάποιο μέσο που εξετάζεται. Φωτόνια τέτοιας ενέργειας προκαλούν ταλαντωτικές και περιστροφικές κινήσεις στα μόρια. Στα φωτόνια που είναι ενεργά στο υπέρυθρο γίνεται άμεση σύζευξη της διπολικής ροπής με το φως και έχουμε μετασχηματισμό φωτονίου σε φωνόνιο. Η φασματική περιοχή του υπερύθρου διακρίνεται σε τρεις υποπεριοχές: Στο εγγύς-υπέρυθρο, στο εύρος cm -1 παρατηρούνται συνδυασμοί ταλαντώσεων και μεγαλύτερης τάξης σκεδάσεις. Στο μέσο-υπέρυθρο, στο εύρος cm -1, στο οποίο διεγείρονται θεμελιώδεις ταλαντώσεις. Στο μακρινό υπέρυθρο στο φασματικό εύρος από 400-5cm -1, το οποίο καλύπτει τις συχνότητες ταλάντωσης της δομής των μεγάλων μορίων. Η φασματοσκοπία υπερύθρου βρίσκει πολλές εφαρμογές, οι κυριότερες από τις οποίες είναι η ταυτοποίηση ουσιών σε ένα δείγμα, ο ποιοτικός έλεγχος της παραγωγής της βιομηχανίας αλλά και η ανάλυση εγκληματολογικών στοιχείων. Η μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε και παρουσιάζει αρκετά πλεονεκτήματα είναι η τεχνική μειωμένης ολικής ανάκλασης (ATR). Στη μέθοδο αυτή, η ακτίνα IR κατευθύνεται μέσω ενός στοιχείου εσωτερικής ανάκλασης (κάποιον κρύσταλλο-συνήθως διαμάντι) υψηλού δείκτη διάθλασης. Το φως IR ανακλάται ολικά εσωτερικά από την πίσω επιφάνεια, η οποία είναι σε επαφή με το δείγμα. Κατά την ανάκλαση στην επιφάνεια κρυστάλλουδείγματος, το φως IR διεισδύει στο δείγμα και έτσι λαμβάνονται τα δεδομένα IR από το δείγμα. Βασικό πλεονέκτημα της τεχνικής αυτής είναι η εύκολη προετοιμασία των προς μελέτη δειγμάτων ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑ ΑΠΟΚΛΕΙΣΜΟΥ ΜΕΓΕΘΩΝ (SEC) Η χρωματογραφία αποκλεισμού μεγεθών (SEC) είναι μία από τις σημαντικότερες μεθόδους καθορισμού του μοριακού βάρους και της κατανομής μοριακών βαρών των πολυμερών. Κατά τη διάρκεια της χρωματογραφίας SEC, τα μακρομόρια διαχωρίζονται σύμφωνα με τον υδροδυναμικό τους όγκο, δηλαδή σύμφωνα με την έκταση που καταλαμβάνει το μόριό τους μέσα στο συγκεκριμένο διαλύτη, με τη μέθοδο του κοσκινίσματος 55. Η διαδικασία αυτή βασίζεται στο γεγονός ότι ένα αραιό πολυμερικό διάλυμα, το οποίο μπορεί να περιέχει μια πλατειά κατανομή ΜΒ πολυμερικών αλυσίδων, ολιγομερών ή ακομά και μονομερών, τα οποία δεν πολυμερίστηκαν, αφήνεται να περάσει μέσα από μια στήλη η οποία έχει πληρωθεί με στερεά πορώδη σωματίδια πολύ μικρής διαμέτρου 56. Τα σωματίδια αυτά μπορεί να είναι είτε γυάλινα μκροπορώδη σφαιρίδια ή διογκωμένα σφαιρικά πολυμερικά πλέγματα. Η αρχή της μεθόδου βασίζεται στο γεγονός ότι τα μικρά μόρια μπορούν να διεισδύσουν βαθύτερα μέσα στους πόρους του πληρωτικού 39

42 υλικού της στήλης με αποτέλεσμα να καθυστερήσουν να εξέλθουν της στήλης, ενώ τα μεγάλα μόρια, επειδή δε μπορούν να εισχωρήσουν μέσα στους μικρότερους πόρους, εκλούονται πρώτα 57. Ο τρόπος με τον οποίο διαχωρίζονται τα μόρια αναλόγως του μεγέθους τους φαίνονται στην Εικόνα 2.1. Όταν τα μόρια εξέλθουν της στήλης κατευθύνονται στον αναλυτή, ο οποίος μετρά τη συγκέντρωση του πολυμερούς σαν συνάρτηση του χρόνου ή του όγκου έκλουσης (Vf) 58. Ο όγκος έκλουσης δίδεται από τις Σχέσεις 2.3 και 2.4. Για πολύ μεγάλα μόρια τα οποία δεν εισέρχονται καθόλου στο εσωτερικό του πληρωτικού υλικού της στήλης, ισχύει η Εξίσωση 2.1. : V e =V 0 (2.1) όπου V 0 είναι ο λεγόμενος αποκλειόμενος όγκος, ο οποίος είναι ο συνολικός όγκος των διάκενων μεταξύ των σφαιρικών σωματιδίων. Εικόνα 2.1. Σχηματική αναπαράσταση του διαχωρισμού ενός αραιού πολυμερικού διαλύματος με χρήση της χρωματογραφίας SEC. Για μικρότερα μόρια τα οποία εισχωρούν στους πόρους του πληρωτικού υλικού της στήλης ισχύει η Σχέση 2.3.: V e =V 0 +k GPC V i (2.3) όπου V i είναι ο συνολικός όγκος των πόρων και k GPC είναι ο συντελεστής κατανομής του δείγματος μεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού των πόρων (δηλαδή του όγκου των διάκενων μεταξύ των σωματιδίων. Οι πιο κοινοί ανιχνευτές που χρησιμοποιούνται στη χρωματογραφία SEC είναι το διαφορικό διαθλασίμετρο (Differential Refractometer, DRI) και/ή ο ανιχνευτής υπεριώδουςορατού (UV-Vis) 59. Με τον πρώτο ανιχνευτή καταγράφεται η διαφορά του δείκτη διάθλασης μεταξύ του καθαρού διαλύτη, ο οποίος αποτελεί την κινητή φάση, και του πολυμερικού διαλύματος, το οποίο εξέρχεται της στήλης. Η διαφορά αυτή είναι ανάλογη της μαζικής (και όχι της γραμμομοριακής) συγκέντρωσης των πολυμερικών αλυσίδω στο διάλυμα. Για να χρησιμοποιηθεί ανιχνευτής UV-Vis το πολυμερές πρέπει κατ αρχήν να φέρει του λάχιστον μια επαναλαμβανόμενη μονάδα, η οποία να είναι ενεργή στο UV. Στη συνέχεια, ανάλογα με 40

43 την ενεργή ομάδα του πολυμερούς, το φασματοφωτόμετρο ρυθμίζεται στο κατάλληλο μήκος κύματος, ούτως ώστε το λαμβανόμενο σήμα να βελτιστοποιείται. Η χρωματογραφία SEC είναι μια σχετική μέθοδος προσδιορισμού ΜΒ διότι απαιτεί βαθμονόμηση για μετατροπή της κατανομής όγκων έκλουσης (Εικόνα 2.2) σε κατανομή ΜΒ 59. Εικόνα 2.2. Κατανομή του κλάσματος μάζας των μορίων του πολυμερικού δείγματος ως προς τον όγκο ή το χρόνο έκλουσης στη χρωματγραφία SEC. Η βαθμονόμηση (logm=f(v e ), Εικόνα 2.3 α)) γίνεται με πρότυπα, μονοδιάσπαρτα πολυμερή, των οποίων τα ΜΒ είναι γνωστά, γιατί έχουν χαρακτηριστεί με απόλυτες μεθόδους, όπως η στατική σκέδαση φωτός και η οσμωμετρία. Με τον τρόπο αυτό γίνεται γνωστός ο χρόνος κατακράτησης στη στήλη μορίων συγκεκριμένου ΜΒ και με βάση αυτά μπορούν να μετατραπούν οι χρόνοι κατακράτησης άγνωστων δειγμάτων σε ισοδύναμα ΜΒ, με την προϋπόθεση ότι οι συνθήκες διεξαγωγής της βαθμονόμησης και ανάλυσης ενός άγνωστου ΜΒ δείγματος παραμένουν οι ίδιες (π.χ. η στήλη, ο φέρων διαλύτης, η ροή του διαλύτη και η πίεση) Εικόνα 2.3 β). Ένα πρόβλημα που υπάρχει είναι ότι στην αγορά διατίθεται περιορισμένος αριθμός τύπων ομοπολυμερών στενής κατανομής ΜΒ για βαθμοονόμηση του SEC. Τα πιο συνηθισμένα είναι τα πρότυπα του πολυστυρενίου, πολυ(μεθακρυλικού μεθυλεστέρα και του πολυ(αιθυλενοξειδίου). Έτσι η βαθμονόμηση γίνεται συνήθως όχι με βάση τη μοριακή μάζα αλλά με βάση τον υδροδυναμικό όγκο του πολυμερούς στο διάλυμα. Ο υδροδυναμικός όγκος εξαρτάται από την αρχιτεκτονική του πολυμερούς, τη φύση του πολυμερούς, τη θερμοκρασία και τη φύση του χρησιμοποιούμενου διαλύτη. 41

44 Εικόνα 2.4. Σχηματική αναπαράστατη α)καμπύλης βαθμονόμησης SEC με χρήση της οποίας λαμβάνεται η κατανομή του κλάσματος μάζας των μορίων του πολυμερούς ως προς τα ΜΒ, που φαίνεται στο β). Όπως αναφέρθηκε πιο πάνω, το μοριακό βάρος που αντιστοιχεί σε κάθε κλάσμα, το οποίο διαχειρίσθηκε χρωματογραφικά, μπορεί να καθορισθεί με τη χρήση της καμπύλης βαθμονόμησης. Συνεπώς μπορούν να υπολογιστούν με τη μέθοδο αυτή, το μέσο κατ αριθμό ΜΒ και το μέσο κατά βάρος ΜΒ καθώς επίσης και ο δείκτης πολυδιασποράς μοριακών βαρών, DPI, από τις Σχέσεις 2.4., 2.5., και 2.6. αντίστοιχα. Το μέσο κατ αριθμό μοριακό βάρος υπολογίζεται από τη σχέση: (2.4.) 42

45 , όπου Ν i είναι ό αριθμός των μορίων με μοριακή μάζα Μ ι και n i είναι το αριθμητικό κλάσμα αυτών των μορίων. Το μέσο κατά βάρος μοριακό βάρος λαμβάνεται από την Σχέση 2.5.: (2.5.) όπου W i είναι η μάζα των μορίων με μοριακή μάζα M i και w i το κλάσμα μάζας αυτών των μορίων. Τέλος ο δείκτης πολυδιασποράς (Polydispersity index) υπολογίζεται ως: DPI (2.6.) O δείκτης πολυδιασποράς μπορεί να πάρει τιμές από 1 μέχρι. Εάν ο λόγος της εξίσωσης 2.6. είναι ίσος με 1 τότε όλα τα μόρια του πολυμερούς έχουν το ίδιο μοριακό βάρος και το πολυμερές λέγεται ότι είναι μονοδιάσπαρτο. 2.2 ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΦΑΣΜΑΤΟΦΩΤΟΜΕΤΡΙΑ ΥΠΕΡΙΩΔΟΥΣ-ΟΡΑΤΟΥ UV-Vis Η φασματοσκοπία απορρόφησης υπεριώδους ορατού (UV-Vis), η οποία αποτελεί μία από τις χρησιμότερες αναλυτικές τεχνικές, βασίζεται στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε μία περιοχή μήκους κύματος από 160 ως 1100 nm (στα σύγχρονα φασματοφωτόμετρα). Όταν ένα μόριο ή ιόν ακτινοβοληθεί με υπεριώδη ή ορατή ακτινοβολία απορροφά ενέργεια. Η απορροφούμενη ενέργεια είναι αρκετή ώστε να διεγείρει τα ηλεκτρόνια σθένους των ακτινοβολούμενων μορίων, προκαλώντας έτσι ηλεκτρονιακές μεταπτώσεις. Οι μεταπτώσεις των ηλεκτρονίων λαμβάνουν χώρα από δεσμικά ή μη-δεσμικά μοριακά τροχιακά προς κενά μη-δεσμικά ή αντιδεσμικά τροχιακά. Εκτός από την ηλεκτρονιακή διέγερση, η απορρόφηση υπεριώδους ή ορατής ακτινοβολίας προκαλεί συγχρόνως διεγέρσεις δόνησης και περιστροφής στο μόριο 54. Η φασματοφωτομετρία υπεριώδους ορατού, που πραγματοποιείται με τη βοήθεια κατάλληλου φασματοφωτομέτρου, χρησιμοποιείται κυρίως για τον ποσοτικό προσδιορισμό ουσιών, μέσω της συσχέτισης του ποσοστού απορρόφησης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας προς τη συγκέντρωση της ουσίας η οποία είναι υπεύθυνη για την απορρόφηση (ποσοτική φασματοφωτομετρία)

46 Η συγκεκριμένη μέθοδος στηρίζεται στη μέτρηση της διαπερατότητας, Τ, ή της απορρόφησης, Α, ορισμένων διαλυμάτων τα οποία τοποθετούνται σε διαφανείς κυψελίδες οπτικής διαδρομής b cm. Όταν μονοχρωματική ακτινοβολία διέρχεται από ένα διάλυμα που περιέχει την ουσία Χ η οποία απορροφά, τότε η ισχύς της ακτινοβολίας ελαττώνεται προοδευτικά κατά μήκος της διαδρομής, λόγω απορροφήσεώς της από την ουσία Χ. Η ελάττωση της ισχύος (P<P o ) εξαρτάται από τη συγκέντρωση c της ουσίας Χ και από την απόσταση b που διανύει η δέσμη φωτός μέσα στο διάλυμα. Οι σχέσεις αυτές εκφράζονται με το νόμο των Lambert- Beer, που συνήθως αναφέρεται ως νόμος του Beer (Σχέση 2.10) και διατυπώνεται με τη μορφή 60 : όπου: Α = -logt= log( P 0 / P) = αbc g/l = εbc mol/l (2.10.) Α= απορρόφηση (absorbance) ή οπτική πυκνότητα (optical density). Eίναι καθαρός αριθμός, αφού εξαρτάται από το λόγο όμοιων μεγεθών. Ρ 0 = ισχύς της προσπίπτουσας ακτινοβολίας P = ισχύς της εξερχόμενης ακτινοβολίας, μετά τη διέλευση από το διάλυμα. Τ = διαπερατότητα (transmittance), ίση με P/P 0. Eίναι καθαρός αριθμός. b = μήκος της διαδρομής που διάνυσε η ακτινοβολία μέσα στο διάλυμα και εκφράζεται συνήθως σε cm (εσωτερικό πάχος κυψελίδας). c = η συγκέντρωση της ουσίας Χ που απορροφά. α = σταθερά αναλογίας, όταν η συγκέντρωση c εκφράζεται σε g/l, που καλείται απορροφητικότητα (absorptivity). Έχει μονάδες g -1 L cm -1. ε = σταθερά αναλογίας, όταν η συγκέντρωση c εκφράζεται σε mol/l που καλείται μοριακή απορροφητικότητα (molar absorptivity). Έχει μονάδες mol -1 L cm -1 και συνδέεται με την απορροφητικότητα α με τη σχέση ε = α* ΜΒ, όπου ΜΒ το μοριακό βάρος της ουσίας που απορροφά.. Η απορροφητικότητα α χρησιμοποιείται, όταν είναι άγνωστη η φύση και το μοριακό βάρος της ουσίας Χ που απορροφά, ενώ η μοριακή απορροφητικότητα ε προτιμάται όταν θέλουμε να συγκρίνουμε ποσοτικά την απορρόφηση διαφόρων ουσιών γνωστού μοριακού βάρους. Απεικόνηση της απορρόφησης Α ή της διαπερατότητας ως συνάρτηση του μήκους κύματος λ παρέχει το φάσμα απορρόφησης, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διαπίστωση της ύπαρξης χαρακτηριστικών ομάδων, για την διευκρίνηση της δομής της ουσίας που απορροφά καθώς και για την ταυτοποίησή της. Τα χαρακτηριστικά ενός φάσματος απορρόφησης είναι το μέγιστο μήκος κύματος λ max και η αντίστοιχη μέγιστη 44

47 μοριακή απορροφητικότητα ε max. Από την απορρόφηση Α, μπορούμε να προσδιορίσουμε τη συγκέντρωση της ουσίας που απορροφά με βάση την εξίσωση Η μέτρηση της απορρόφησης γίνεται στο λ max για δύο λόγους 60 : Την επίτευξη μέγιστης ευαισθησίας, αφού δεδομένη συγκέντρωση θα δώσει τη μέγιστη απορρόφηση στο συγκεκριμένο μήκος κύματος. Την ελαχιστοποίηση της μεταβολής απορρόφησης, λόγω μικρών μεταβολών του μήκους κύματος κατά τη διάρκεια των μετρήσεων, αφού στο λ max υπάρχει συνήθως «πλατώ» του φάσματος απορρόφησης ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΙΑ ΜΟΡΙΑΚΗΣ ΦΩΤΑΥΓΕΙΑΣ Η φασματομερία μοριακής φωταύγειας είναι μία μη καταστρεπτική μέθοδος για την ανίχνευση της ηλεκτρονικής δομής των υλικών. Με τη μέθοδο αυτή μπορούμε να εφαρμόσουμε διαφορετικά μήκη κύματος διέγερσης, που επιτρέπουν διαφορετικά επίπεδα διέγερσης, μια σειρά ανίχνευσης που εκτείνεται από 0,4 μm έως 2,6 μm, θερμοκρασίες από 4 έως 300 Κ και δυνατότητες χαρτογράφησης με 1 έως 2 μm χωρική ανάλυση σχετικά με το σύστημα μετασχηματισμού Fourrier. Η ενέργεια που προσλαμβάνεται κατά τη φωτοδιέγερση ενός μορίου με απορρόφηση ενός φωτονίου δε διατηρείται στο διεγερμένο μόριο, αλλά αποβάλλεται με διάφορους τρόπους, συνήθως υπό μορφή θερμότητας, αλλά και με εκπομπή δευτερεύουσας ακτινοβολίας, η οποία χαρακτηρίζεται με το γενικό όρο φωταύγεια. Αν η εκπομπή πραγματοποιείται σε χρόνο sec μετά τη διέγερση, η φωταύγεια χαρακτηρίζεται ως φθορισμός, ενώ όταν μεσολαβεί καθυστέρηση sec (ή και μεγαλύτερη) πριν από την εκπομπή, τότε η φωταύγεια χαρακτηρίζεται ως φωσφορισμός. Μία ηλεκτρονική στάθμη ενέργειας ενός μορίου χαρακτηρίζεται ως απλή (S), όταν το συνολικό σπιν (spin) είναι μηδέν (αντιπαράλληλα σπιν σε όλα τα ζεύγη ηλεκτρονίων), ενώ όταν το συνολικό σπιν είναι διαφορετικό από το μηδέν η στάθμη χαρακτηρίζεται ως τριπλή (Τ). Μία κατάσταση Τ είναι πτωχότερη σε ενέργεια από την αντίστοιχη κατάσταση S. Η απορρόφηση υπεριώδους ή ορατής ακτινοβολίας από ένα μόριο συνεπάγεται μετάπτωση ηλεκτρονίων (ηλεκτρονική διέγερση) από μη δεσμικά (η) ή δεσμικά (π) τροχιακά σε αντιδεσμικά (π*) τροχιακά, οπότε το μόριο μεταβαίνει από την απλή θεμελιώδη κατάσταση S ο σε διεγερμένες καταστάσεις S 1, S 2,, οι οποίες συνίστανται από αριθμό δονητικών σταθμών. Κατά την αποδιέγερση του μορίου όλες οι δονητικές στάθμες των διεγερμένων απλών καταστάσεων καταλήγουν στη χαμηλότερη δονητική στάθμη της ηλεκτρονικής τους κατάστασης, είτε μέσω μίας διεργασίας που ονομάζεται δονητική ή θερμική επαναφορά, είτε μέσω της διεργασίας της εσωτερικής μετατροπής. Κατά τη θερμική επαναφορά μεταφέρεται θερμότητα στα μόρια του διαλύτη με τα οποία συγκρούεται το διεγερμένο μόριο, ενώ κατά την εσωτερική μετατροπή έχουμε μετάπτωση από τη χαμηλότερη δονητική στάθμη ανώτερης ηλεκτρονικής κατάστασης στην υψηλότερη δονητική στάθμη της χαμηλότερης ηλεκτρονικής κατάστασης, η οποία έχει την ίδια ενέργεια. Το τελικό αποτέλεσμα είναι η κατάληξη όλων των απλών διεγερμένων καταστάσεων στη χαμηλότερη 45

48 στάθμη δόνησης της διεγερμένης κατάστασης S 1, με έκλυση θερμότητας. Η πιο πέρα αποδιέγερση από την S 1 στην S ο πραγματοποιείται με μία από τις παρακάτω τέσσερις διεργασίες: [54] Εσωτερική μετατροπή. Σε αυτή την περίπτωση κατά τη μετάπτωση από την S 1 στην S ο, εκλύεται θερμότητα αλλά δεν εκπέμπεται ακτινοβολία. Η διεργασία αυτή παρατηρείται σε μόρια με υψηλό βαθμό δονητικής ελευθερίας, όπως είναι τα αλειφατικά μόρια, τα οποία δε φθορίζουν. Εκπομπή φθορισμού : S 1 S ο + hv φ. Η συχνότητα φθορισμού v φ είναι μικρότερη από τη συχνότητα της ακτινοβολίας διεγέρσεως v δ εξαιτίας της απώλειας, με τη μορφή θερμότητας, μέρους της ενέργειας, που απορροφήθηκε κατά τις διεργασίες της δονητικής επαναφοράς και της εσωτερικής μετατροπής. Η διεργασία αυτή παρατηρείται σε μόρια με περιορισμένο βαθμό δονητικής ελευθερίας, όπως είναι τα αρωματικά μόρια και ορισμένα άλλα μόρια με πολλαπλούς συζυγιακούς διπλούς δεσμούς, στα οποία η διεργασία της εσωτερικής μετατροπής είναι αμελητέα. Διασυστηματική διασταύρωση, που ακολουθείται από εκπομπή φωσφορισμού Τ 1 S ο + hv φωσ. Επειδή η Τ 1 έχει μικρότερη ενέργεια από την S 1, ισχύει v φ > v φωσ Απόσβεση, δια συγκρούσεως με μόρια άλλων ουσιών, οπότε παρατηρείται εξασθένηση ή και πλήρης εξαφάνιση του φθορισμού. Απαραίτητη προϋπόθεση για την εμφάνιση φθορισμού είναι η ύπαρξη τέτοιας δομής στο μόριο, ώστε να απορροφάται ακτινοβολία στο υπεριώδες ή το ορατό. Επιπλέον, η ακαμψία του μορίου πρέπει να είναι μεγάλη, ώστε η διαφορά μεταξύ των ενεργειακών καταστάσεων S 1 και S ο να είναι τέτοια, που να αποτρέπει τη διεργασία της εσωτερικής μετατροπής σε όφελος της διεργασίας φθορισμού. Εκτός από τη δομή των μορίων, στο φθορισμό επιδρούν και άλλοι παράγοντες, όπως η ύπαρξη ξένων μορίων, ο διαλύτης, το ph, η θερμοκρασία, η παρουσία οξυγόνου, η φωτοδιάσπαση και η συγκέντρωση της φθορίζουσας ουσίας. Όπως θα δούμε στη συνέχεια, ο ρόλος του διαλύτη είναι ιδιαίτερα σημαντικός, καθώς μπορούμε να λάβουμε πληροφορίες σχετικά με την πολικότητα του περιβάλλοντος στο οποίο βρίσκεται το φθορίζον μόριο. Μάλιστα, σε τέτοιες περιπτώσεις μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε κατάλληλα φθορίζοντα μόρια που να εμφανίζουν σημαντικές χαρακτηριστικές μεταβολές στο φάσμα φθορισμού τους σα συνάρτηση της πολικότητας του διαλύτη. Η εφαρμογή αυτή χαρακτηρίζεται ως ιχνηθέτηση, το δε φθορίζον μόριο ονομάζεται φθορίζων ιχνηθέτης. Στο φάσμα εκπομπής ενός φθορίζοντος ιχνηθέτη καταγράφεται η ένταση, I f, της εκπομπής φθορισμού ως προς το μήκος κύματος αυτής, διατηρώντας σταθερό το μήκος κύματος και την ένταση της ακτινοβολίας διέγερσης. Ως φθορίζοντες ιχνηθέτες χρησιμοποιούνται φθορίζοντα μόρια με υψηλή συμμετρία χημικής δομής. Σε ένα μη πολικό περιβάλλον οι μεταπτώσεις 46

49 χαμηλής στάθμης των συμμετρικών μορίων είναι απαγορευμένες, ενώ σε πολικό περιβάλλον η συμμετρία διαταράσσεται λόγω αλληλεπιδράσεων μεταξύ του διαλύτη και της φθορίζουσας ουσίας και οι μεταπτώσεις που ήταν προηγουμένως απαγορευμένες ενισχύονται. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα είτε χαρακτηριστικές αλλαγές στο φάσμα φθορισμού είτε σημαντικές μεταβολές στην ένταση φθορισμού. Χαρακτηριστικό παράδειγμα της πρώτης κατηγορίας αποτελεί το πυρένιο, ενώ χαρακτηριστικό παράδειγμα της δεύτερης κατηγορίας αποτελεί το Nile Red ΙΧΝΗΘΕΤΗΣΗ ΜΕ NILE RED To Nile Red είναι ένας φθορίζων ιχνηθέτης (Σχήμα 2.1) που εκπέμπει φως με φωτοδιέγερση στα 550 nm. Η διαλυτότητα του Nile Red στο νερό είναι αρκετά περιορισμένη, αλλά μπορεί να αυξηθεί σημαντικά σε λιγότερο πολικό περιβάλλον. Ταυτόχρονα, με τη μείωση της πολικότητας αφ ενός μεταβάλλεται η περιοχή απορρρόφησης της χρωστικής και αφ ετέρου αυξάνεται η κβαντική απόδοση εκπομπής της χρωστικής. Οι μεταβολές αυτές παρουσιάζονται χαρακτηριστικά στα Σχήματα 2.2 και 2.3. Έτσι, σε αρκετές περιπτώσεις η παραπάνω χρωστική έχει χρησιμοποιηθεί για το χαρακτηρισμό της πολικότητας διαφόρων διαλυτών ή την ανίχνευση της πολικότητας του μικροπεριβάλλοντος που αναπτύσσεται σε διάφορα μικροετερογενή συστήματα που σχηματίζονται, για παράδειγμα, από επιφανειοδραστικές ενώσεις, δενδρομερή κ.α. Μάλιστα, εξαιτίας αυτών των οπτικών ιδιοτήτων χρησιμοποιείται συχνά για τη χρώση κυττάρων ή άλλων βιολογικών συστημάτων και την παρατήρησή τους με μικροσκόπιο φθορισμού. Σχήμα 2.1. Χημική δομή του Nile Red Στο Σχήμα 2.2 παρουσιάζεται το φάσμα απορρόφησης της χρωστικής Nile Red (NR) σε μίγματα αιθανόλης - νερού. Η σύσταση των μιγμάτων εκφράζεται ως κλάσμα όγκου φ σε αιθανόλη. Παρατηρείται πως σε πλoύσια σε νερό μίγματα, η απορρόφηση των διαλυμάτων NR είναι πολύ μικρή. Αντίθετα, σε πλουσιότερα σε αιθανόλη μίγματα, η χρωστική απορροφά έντονα. Μάλιστα, η κορυφή απρρόφησης μετατοπίζεται σε μικρότερο μήκος κύματος όσο αυξάνει η περιεκτικότητα σε αιθανόλη, δηλαδή μειώνεται η πολικότητα του περιβάλλοντος. 47

50 Εκπομπή (a.u.) Aπορρόφηση (a.u.) 1,0 [NR]= M =0.8 =0.6 =0.4 0,8 =1 0,6 0,4 0,2 =0.02 =0.1 =0.2 0, Μήκος κύματος (nm) Σχήμα 2.2. Φάσματα απορρόφησης του Nile Red σε μίγματα αιθανόλης-νερού για διάφορα κλάσματα όγκου φ σε αιθανόλη. Στο Σχήμα 2.3 παρουσιάζονται χαρακτηριστικά φάσματα εκπομπής του Nile Red σε αντίστοιχα μίγματα διαλυτών, όταν η χρωστική διεγείρεται στα 550 nm. Όπως διαπιστώνεται, υπάρχει μία μικρή μετατόπιση του μεγίστου με την αύξηση της περιεκτικότητας του μίγματος σε αιθανόλη. Ωστόσο, το πλέον χαρακτηριστικό είναι η εντυπωσιακή αύξηση της εκπομπής καθώς αυξάνει το φ, η οποία σχετίζεται με την ενισχυμένη κβαντική απόδοση καθώς μειώνεται η πολικότητα του διαλύτη =1 600 = = =0.4 = Μήκος κύματος (nm)) Σχήμα 2.3. Χαρακτηριστικά φάσματα εκπομπής του Nile Red σε μίγματα αιθανόλης-νερού για διάφορα κλασματα όγκου φ. 48

51 2.2.3 ΙΞΩΔΟΜΕΤΡΙΑ Η ιξώδης συμπεριφορά των πολυμερών σε αραιά διαλύματα δίνει σημαντικές πληροφορίες για τη διαμόρφωσή τους στο διάλυμα, το μοριακό τους βάρος αλλά και τη συγκέντρωση του πολυμερούς πάνω από την οποία παρατηρείται ο σχηματισμός μικκυλίων. Το ιξώδες αραιών διαλυμάτων πολυμερών προσδιορίζεται συγκρίνοντας το χρόνο ροής t διαλύματος δοθέντος όγκου διαμέσου ενός τριχοειδούς με το χρόνο ροής, t 0 ίσου όγκου καθαρού διαλύτη. Αν συμβολίσουμε με η το ιξώδες του διαλύματος και με η 0 το ιξώδες του καθαρού διαλύτη, τότε ο λόγος 0 λέγεται ειδικό ιξώδες (η sp ). Για αραιά διαλύματα, η πυκνότητα 0 του διαλύματος είναι πρακτικά ίση με την πυκνότητα του διαλύτη και το ειδικό ιξώδες μπορεί να δοθεί από το λόγο από την Σχέση 2.11.: t t t 0 0. Έτσι το ειδικό ιξώδες η sp για αραιά διαλύματα δίνεται t t 0 0 sp (2.11.) 0 t0 Διαιρώντας τι ειδικό ιξώδες με τη συγκέντρωση c, εκφρασμένη σε g/ml, παίρνουμε το ανηγμένο ιξώδες η red, σε ml/g (Σχέση 2.12.): η red = η sp / c (2.12.) Συνήθως, το ανηγμένο ιξώδες για αραιά διαλύματα είναι γραμμική συνάρτηση της συγκέντρωσης. Η γραμμική εξάρτηση του ανηγμένου ιξώδους με τη συγκέντρωση για πολυμερή σε οργανικούς διαλύτες ή για μη ιοντικά πολυμερή σε νερό, περιγράφεται από την εξίσωση Huggins (Σχέση 2.13.): η red = [η] + Κ Η [η] 2 c (2.13.) όπου Κ Η είναι η σταθερά του Huggins και [η] είναι το εσωτερικό ιξώδες του πολυμερούς. Η σταθερά Κ Η λαμβάνει τιμές 0,3 σε καλούς διαλύτες και 0,8 σε μέτριους διαλύτες ή διαλύτες Θ, ενώ θεωρείται πως εκφράζει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μακρομοριακών αλυσίδων και των μορίων του διαλύτη. Σε καλούς διαλύτες ευνοούνται οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των τμημάτων των μακρομοριακών αλυσίδων και των μορίων του διαλύτη. Αποτέλεσμα αυτών των αλληλεπιδράσεων είναι η διόγκωση και επέκταση των αλυσίδων. Σε μέτριους διαλύτες ευνοούνται οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των τμημάτων των μακρομοριακών αλυσίδων, γεγονός που οδηγεί στη συρρίκνωση των αλυσίδων. Σε κακούς διαλύτες, η αλληλεπίδραση μεταξύ των τμημάτων των μακρομοριακών αλυσίδων οδηγεί στην καθίζηση του πολυμερούς. 49

52 Το εσωτερικό ιξώδες [η], είναι το όριο του ανηγμένου ιξώδους (η sp / c) σε άπειρη αραίωση, δηλαδή όταν δεν υπάρχουν αλληλεπιδράσεις μεταξύ των αλυσίδων. Το εσωτερικό ιξώδες αποτελεί μέτρο του υδροδυναμικού όγκου των απομονωμένων αλυσίδων 61,62 (Σχέση 2.14.): [η] = lim (η sp / c) (2.14.) c 0 Η εξίσωση των Mark-Houwink-Sakurada συνδέει το εσωτερικό ιξώδες με την μοριακή μάζα του πολυμερούς, Μ (Σχέση 2.15.): [η]= Κ Μ α (2.15.) όπου Κ και α είναι χαρακτηριστικές παράμετροι σε συγκεκριμένη θερμοκρασία. Η σχέση αυτή βοηθά στον υπολογισμό της μοριακής μάζας του πολυμερούς 50

53 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 51

54 52

55 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΒΙΟΣΤΑΤΙΚΩΝ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ (P(VBCHAM-co-TEAM)) 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα τελευταία χρόνια έχουν γίνει πολλές μελέτες που αφορούν τα αμφίφιλα πολυμερή λόγω των πολλών εφαρμογών τους στη βιομηχανία, αλλά και του ενδιαφέροντος που παρουσιάζουν οι ιδιότητές τους. Τα αμφίφιλα πολυμερή μπορούν να ταξινομηθούν σε αμφίφιλα συσταδικά συμπολυμερή (όπου οι υδρόφοβες και υδρόφιλες συστάδες εναλλάσσονται κατά μήκος της μακρομοριακής αλυσίδας) και σε αμφίφιλα συμπολυμερή τύπου κτένας (όπου οι υδρόφοβες ομάδες, συνήθως μεγάλου μήκους αλκυλομάδες, ενσωματώνονται ως πλευρικές αλυσίδες σε έναν υδρόφιλο μακρομοριακό σκελετό). Στη δεύτερη περίπτωση, τα συμπολυμερή αυτά μπορούν να προκύψουν είτε μέσα από υδρόφοβη τροποποίηση ενός τελικά υδρόφιλου σκελετού, είτε μέσα από συμπολυμερισμό υδρόφιλων και υδρόφοβων μονομερών. Επειδή η μέθοδος της υδρόφοβης τροποποίησης είναι η πλέον συνηθισμένη, τα αμφίφιλα συμπολυμερή τύπου κτένας ονομάζονται συνήθως και υδρόφοβα τροποποιημένα υδατοδιαλυτά πολυμερή. Στην παρούσα ερευνητική εργασία γίνεται αναφορά στη δεύτερη κατηγορία, αυτή των αμφίφιλων συμπολυμερών τύπου κτένας (υδρόφοβα τροποποιημένων υδατοδιαλυτών πολυμερών), καθώς αυτή η κατηγορία πολυμερών θα μας απασχολήσει ερευνητικά. Μια σημαντική εφαρμογή των υδατοδιαλυτών πολυμερών είναι η αύξηση του ιξώδους υδατικών διαλυμάτων (thickeners). Αυτή μπορεί να επιτευχθεί με την προσθήκη υδατοδιαλυτών πολυμερών μεγάλου μοριακού βάρους. Επιπλέον, η παρουσία ιοντικών μονάδων κατά μήκος της πολυμερικής αλυσίδας στους πολυηλεκτρολύτες οδηγεί στη μεγαλύτερη έκταση της μακρομοριακής αλυσίδας, ως αποτέλεσμα της απώθησης των ομώνυμων φορτίων του πολυμερούς (φαινόμενο των πολυηλεκτρολυτών), και στην αποτελεσματικότερη αύξηση του ιξώδους των διαλυμάτων. Ωστόσο, πολύ εντυπωσιακότερη αύξηση του ιξώδους επιτυγχάνεται με τον κατάλληλο σχεδιασμό αμφίφιλων συμπολυμερών, είτε συσταδικής αρχιτεκτονικής είτε αρχιτεκτονικής τύπου κτένας. Όσον αφορά στα αμφίφιλα συμπολυμερή τύπου κτένας, τις τελευταίες τρεις δεκαετίες έχει γίνει εκτενής έρευνα στη σύνθεση και μελέτη υδρόφοβα τροποποιημένων ανιοντικών πολυμερών. Ένα τέτοιο παράδειγμα αποτελεί το υδρόφοβα τροποποιημένο πολυ(ακρυλικό νάτριο) 63. Στο Σχήμα 3.1 παρουσιάζεται η γενική χημική δομή αυτών των πολυμερών. Όπως φαίνεται, τα προϊόντα αυτά αποτελούνται από ένα κεντρικό σκελετό πολυ(ακρυλικού νατρίου), επί του οποίου έχουν εμβολιαστεί σε διάφορα ποσοστά 53

56 αλκυλομάδες μήκους n. Συνήθως, οι αλκυλομάδες αυτές κυμαίνονται από οκτυλομάδες (n=8) έως δεκαοκτυλομάδες (n=18). Σχήμα 3.1. Γενική χημική δομή της σειράς τροποποιημένου πολυ(ακρυλικού νατρίου) 63. αμφίφιλων συμπολυμερών του υδρόφοβα Σε υδατικά διαλύματα, πάνω από μία κρίσιμη συγκέντρωση του πολυμερούς, παρατηρείται ραγδαία αύξηση του ιξώδους των διαλυμάτων, πολύ μεγαλύτερη από εκείνη του μη τροποποιημένου πολυμερούς. Σε τιμές συγκεντρώσεων μεγαλύτερες της κρίσιμης αυτής συγκέντρωσης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.2, τα υδρόφοβα συσσωματώματα που δημιουργούν οι αλκυλομάδες εντός των υδατικών διαλυμάτων τείνουν να δημιουργούν ένα δίκτυο, καθώς διασυνδέουν έτσι με φυσικό τρόπο τις πολυμερικές αλυσίδες μεταξύ τους. Σχήμα 3.2. Σχηματική αναπαράσταση φυσικού δικτύου στο νερό που δημιουργείται από την ανάπτυξη μικυλλιακού τύπου δομών σε υδρόφοβα τροποποιημένα πολυμερή, οι οποίες λειτουργούν ως φυσικά σημεία διασταύρωσης των πολυμερικών αλυσίδων. H συμπεριφορά των υδρόφοβα τροποποιημένων πολυμερών παρατίθεται στο Σχήμα 3.3, όπου παρουσιάζονται ρεολογικά αποτελέσματα δειγμάτων πολυ(ακρυλικού νατρίου) υδρόφοβα τροποποιημένου με δεκαοκτυλαμίνες 64. Όπως φαίνεται, για το μη τροποποιημένο πολυμερές, το ιξώδες αυξάνεται ομαλά με την αύξηση της συγκέντρωσης του πολυμερούς στο διάλυμα. Αντίθετα, το ιξώδες των διαλυμάτων των υδρόφοβα τροποποιημένων πολυμερών είναι πολύ μεγαλύτερο, ίσως και τάξεις μεγέθους, στην ίδια συγκέντρωση. Μάλιστα, παρατηρούμε πως με την αύξηση του ποσοστού τροποποίησης, η 54

57 κρίσιμη συγκέντρωση μειώνεται σε χαμηλότερα επίπεδα, ενώ η αύξηση του ιξώδους γίνεται πολύ πιο σημαντική. Σχήμα 3.3. Εξάρτηση του ιξώδους υδατικών διαλυμάτων αμφίφιλων συμπολυμερών του πολυ(ακρυλικού νατρίου) υδρόφοβα τροποποιημένου με δεκαοκτυλομάδες από τη συγκέντρωση Cp (% w/v) του διαλύματος. Το % ποσοστό τροποποίησης εμφανίζεται δίπλα σε κάθε δείγμα 64. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, η μελέτη των αλληλεπιδράσεων μεταξύ αντίθετα φορτισμένων πολυμερών και επιφανειοδραστικών ενώσεων έχει τύχει μεγάλης προσοχής από την επιστημονική κοινότητα τις τελευταίες δεκαετίες. Έχει διαπιστωθεί ότι τέτοια συστήματα δημιουργούν «σύμπλοκα», τα οποία σταθεροποιούνται από τις ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις σε συνδυασμό με φαινόμενα υδροφοβικότητας. Στην περίπτωση πολυηλεκτρολυτών και επιφανειοδραστικών ενώσεων του ίδιου φορτίου, οι αλληλεπιδράσεις είναι ανεπαίσθητες λόγω της έλλειψης ηλεκτροστατικών έλξεων. Ωστόσο, η συμπεριφορά αλλάζει εντελώς στην περίπτωση υδρόφοβα τροποποιημένων πολυηλεκτρολυτών. Για παράδειγμα, σε υδατικά διαλύματα που περιέχουν υδρόφοβα τροποποιημένα πολυμερή όπως το ανιοντικό πολυ(ακρυλικό νάτριο) τροποποιημένο με δεκαοκτυλαμίνες που περιγράφηκε νωρίτερα, η προσθήκη επιφανειοδραστικών ενώσεων μπορεί να οδηγήσει σε εντυπωσιακή αύξηση του ιξώδους. Η ιδιότητα αυτή παρατηρείται ειδικότερα με την προσθήκη μη ιοντικών και κατιοντικών επιφανειοδραστικών ενώσεων. Είναι προφανές ότι στην περίπτωση αυτή, τόσο οι ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις όσο και οι υδρόφοβες δυνάμεις συμβάλλουν στη σταθεροποίηση των μικτών συσσωματωμάτων που περιλαμβάνουν μόρια επιφανειοδραστικών ενώσεων και πολυμερικές αλκυλικές αλυσίδες και δρουν σαν φυσικοί σταυροδεσμοί ανάμεσα στις αλυσίδες του 55

58 τροποποιημένου πολύ(ακρυλικού νατρίου). Η παραπάνω αύξηση του ιξώδους παρατηρείται και στην περίπτωση ομώνυμα φορτισμένων πολυηλεκτρολυτών και επιφανειοδραστικών ενώσεων. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η αλληλεπίδαση του υδρόφοβα τροποποιημένου με δεκαοκτυλαμίνες πολυακρυλικού νατρίου με την επιφανειοδραστική ένωση δωδεκυλοθειϊκό νάτριο 14,63 (SDS) (Σχήμα 3.4). Σχήμα 3.4. Χημική δομή της επιφανειοδραστικής ένωσης δωδεκυλοθειϊκό νάτριο (SDS). Συγκεκριμένα στο Σχήμα 3.5 γίνεται μελέτη των ρεολογικών ιδιοτήτων υδατικών διαλυμάτων του πολυ(ακρυλικού οξέος) στη μετά νατρίου μορφή του ή του ιδίου πολυμερούς τροποποιημένου κατά 1 % με δεκαοκτυλαμίνες (PAA C18), κατά την προσθήκη SDS σε διάφορες συγκεντρώσεις 63. Τα αποτελέσματα δίνονται κανονικοποιημένα με βάση τη cmc του SDS. Όταν σε υδατικό διάλυμα μη τροποποιημένου πολυμερούς (PAA-500) προστίθεται SDS, παρατηρείται συνεχής μείωση του ιξώδους. Σε αντίθετη περίπτωση όταν προστίθεται SDS σε υδατικό διάλυμα τροποποιημένου πολυμερούς (PAA C18), το ιξώδες αυξάνεται. Η καμπύλη του ιξώδους παρουσιάζει ένα μέγιστο στην τιμή 0,3 cmc, και στη συνέχεια αρχίζει να φθίνει συνεχώς, έως ότου το ιξώδες του πολυμερούς προσεγγίσει το ιξώδες του διαλύτη. Όσο μεγαλύτερη είναι η συγκέντρωση του πολυμερούς στο διάλυμα, τόσο μεγαλύτερη η αύξηση του ιξώδους του διαλύματος. 56

59 . Σχήμα 3.5. Εξάρτηση του ιξώδους υδατικών διαλυμάτων αμφίφιλων συμπολυμερών του πολύ(ακρυλικού νατρίου) υδρόφοβα τροποποιημένου κατά 1% με δεκαοκτυλομάδες από τη συγκέντρωση της επιφανειοδραστικής ένωσης SDS (εκφρασμένης σε μονάδες cmc=7,7x10-3 mol L -1 ). Με διακεκομμένες γραμμές αναπαριστάται η συμπεριφορά του μη τροποποιημένου πολυμερούς και με συνεχείς γραμμές εκείνη του τροποποιημένου 63. Η παραπάνω ρεολογική συμπεριφορά εξαρτάται επίσης από την περιεκτικότητα σε αλκυλικές αλυσίδες του τροποποιημένου πολυμερούς (Σχήμα 3.6). Για σταθερή συγκέντρωση πολυμερούς μέσα στο διάλυμα, όσο μεγαλύτερη είναι η τροποποίησή του, τόσο μεγαλύτερη είναι η αύξηση του ιξώδους. Όπως διαπιστώνεται, στο πιο υδρόφοβα τροποποιημένο πολυμερές με περιεκτικότητα σε αλκυλομάδες ίση με 3% παρατηρείται πολύ μεγαλύτερη αύξηση του ιξώδους για συγκέντρωση σε SDS ίση με 0,3 cmc, σε σύγκριση με το το πολυμερές που περιέχει μόνον 1% αλκυλομάδες, το οποίο για την ίδια συγκέντρωση επιφανειοδραστικής ένωσης εμφανίζει πολύ μικρότερο ιξώδες. 57

60 Σχήμα 3.6. Εξάρτηση του ιξώδους των συστημάτων τροποποιημένου πολυ(ακρυλικού νατρίου)/sds, από την συγκέντρωση της επιφανειοδραστικής ένωσης, κανονικοποιημένης ως προς τη cmc. Η περιεκτικότητα σε δεκαοκτυλομάδες των πολυμερών είναι 1% (*) ή 3% (+, ). Οι αριθμοί 150 και 500 στο συμβολισμό των πολυμερών αναφέρονται στο μοριακό τους βάρος, και , αντίστοιχα 63. Η ρεολογική συμπεριφορά υδρόφοβα τροποποιημένων πολυκατιόντων δεν έχει τύχει αντίστοιχης ευρείας μελέτης. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα μελέτης ρεολογικών ιδιοτήτων τέτοιων υλικών αποτελούν τα συμπολυμερή του βινυλοβενζυλο χλωριδίου (VBC) με στυρένιο (S) σε διάφορες αναλογίες τροποποίησης με τριαιθυλαμίνη (Τ) και διμεθυλοδεκαεξυλαμίνη (Η) 65. Οι χημικές δομές των συμπολυμερών παρουσιάζοναι στο Σχήμα 3.7. Στη συγκεκριμένη έρευνα μελετώνται συμπολυμερή που έχουν σαν κεντρική αλυσίδα το πολυ(βινυλοβενζυλο χλωρίδιο) (PVBC) και το συμπολυμερές του στυρενίου/βινυλοβενζυλο χλωριδίου (PVBC-St) σε αναλογία κατά mol VBC/St=45/55. Τα συμπολυμερή αυτά έχουν τροποποιηθεί με τριαιθυλαμίνη (PVBCΤΕΑΜ, σχήμα 3.7γ) ή με διμεθυλοδεκαεξυλαμίνη (PVBCHΑΜ-St, σχήμα 3.7β) και, ενδεχομενως και με τις δύο τριτοταγείς αμίνες (PVBCTEAM-VBCHAM, σχήμα 3.7α). 58

61 Σχήμα 3.7 α) Σχήμα 3.7 β) Σχήμα 3.7 γ) Σχήμα 3.7. Απεικόνιση της χημικής δομής των υδρόφοβα τροποποιημένων κατιοντικών πολυηλεκτρολυτών που χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη του σχήματoς 2.8. α) πολυ(βινυλοβενζυλο χλωρίδιο) τροποποιημένο με διμεθυλοδεκαεξυλαμίνη και τριαιθυλαμίνη σε αναλογία κατά mol 45/55. β) συμπολυμερές του βινυλοβενζυλο χλωριδίου και του στυρενίου, όπου οι μονάδες VBC έχουν τροποιηθεί με διμεθυλοδεκαεξυλαμίνη. γ) πολυ(βινυλοβενζυλο χλωρίδιο) πλήρως τροποποιημένο με τριαιθυλαμίνη 65. Στη συνέχεια σε υδατικά διαλύματα των παραπάνω τριών συμπολυμερών έγινε μελέτη ρεολογίας (Σχήμα 3.8) με τη χρήση ρεομέτρου. Το συμπολυμερές του βινυλοβενζυλο χλωριδίου και του στυρενίου, τροποποιημένο με διμεθυλοδεκαεξυλαμίνη (Σχήμα 3.7 β) σε συγκέντρωση συμπολυμερούς μικρότερη του 0,2% έχει μικρό ιξώδες. Για συγκέντρωση μεγαλύτερη του 0,2% το ιξώδες αρχίζει να αυξάνεται μέχρις ότου σε συγκέντρωση μεγαλύτερη του 2% παρατηρείται δημιουργία γέλης. Για τα άλλα δύο συμπολυμερή Σχήμα 3.7 α και Σχήμα 3.7 γ, σημειώνεται αρκετά μικρό ιξώδες για αυτό το εύρος των συγκεντρώσεων. 59

62 Σχήμα 3.8. Εξάρτηση του ιξώδους εκφρασμένο σε μονάδες Pa.s από την συγκέντρωση των διαλυμάτων στα αντίστοιχα συμπολυμερή ( ) για το συμπολυμερές του βινυλοβενζυλο χλωριδίου και του στυρενίου, όπου οι μονάδες VBC έχουν τροποιηθεί με διμεθυλοδεκαεξυλαμίνη. ( ) για το πολυ(βινυλοβενζυλο χλωρίδιο) τροποποιημένο με διμεθυλοδεκαεξυλαμίνη και τριαιθυλαμίνη σε αναλογία κατά mol 45/55και ( ) για το πολυ(βινυλοβενζυλο χλωρίδιο) πλήρως τροποποιημένο με τριαιθυλαμίνη 65. Τέλος έχει διαπιστωθεί ότι ορισμένα συστήματα κατιοντικών πολυηλεκτρολυτών ομοιοπολικά δεσμευμένων με κατιοντικές επιφανειοδραστικές ενώσεις ή συστήματα ανιοντικών πολυηλεκτρολυτών με κατιοντικές επιφανειοδραστικές ενώσεις ενσωματωμένων μέσω ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων, έχουν βιοστατική δράση. Συγκεκριμένα, έχουν γίνει μελέτες βιοστατικής δράσης με τη διαδικασία εμβάπτισης διχτυών υδατοκαλλιεργειών σε πολυμερικά διαλύματα, τα οποία δυνητικά μπορούν να επιβραδύνουν τις αποθέσεις μικροοργανισμών στην επιφάνεια των διχτυών. Παραδείγματα τέτοιων μελετών αποτελούν τα δίχτυα που έχουν επικαλυφθεί με τον κατιοντικό πολυηλεκτρολύτη PVBCHAM, ο οποίος αποτελείται από πολυ(βινυλοβενζυλο χλωρίδιο) πλήρως τροποποιημένο με δεκαεξυλοτριμεθυλαμίνη 66. Τα δίχτυα τα οποία επικαλύφθηκαν σε διαλύματα αιθανόλης με το εν λόγω πολυμερικό υλικό (5% w/v) βυθίστηκαν σε ενυδρεία σε επιταχυνόμενες συνθήκες βιοσυσσώρευσης, σε νερό λίμνης (Εικόνα 3.1), με αλατότητα 0,26%. Η αυξημένη βιοσυσσώρευση στην επιφάνεια του διχτυού καταδεικνύει την αδύναμη βιοστατική δράση του πολυμερούς PVBCHAM. Ωστόσο, σε αντίθεση με το ομοπολυμερές, έχει καταδειχθεί με άλλες τεχνικές πως η βιοστατική δράση συμπολυμερών του VBCHAM με άλλα κατάλληλα μονομερή είναι σημαντική. 60

63 Fig. 4: Appearance of the net covered with PVBCHAM before immersion and after 50d under accelerated biofouling in lagoon water Εικόνα 3.1. Φωτογραφία του επικαλυμμένου με PVBCHAM διχτυού πριν τη βύθιση σε νερό λίμνης και μετά από 50 ημέρες βύθισης

64 3.2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΈΡΟΣ Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η σύνθεση και μελέτη αμφίφιλων κατιοντικών πολυμερών τα οποία έχουν τη συναφή δομή (Σχήμα 3.9) με το παράδειγμα των κατιοντικών συμπολυμερών που παρατέθηκε παραπάνω. Σχήμα 3.9. Χημική δομή των κατιοντικών τροποποιημένων συμπολυμερών που συντέθηκαν στο εργαστήριο. Για την επίτευξη της σύνθεσης τών παραπάνω κατιοντικών συμπολυμερών, γίνεται ομοπολυμερισμός ελευθέρων ριζών στο μονομερές βινυλοβενζυλο χλωρίδιο (VBC) και στη συνέχεια τροποποίηση του συντεθιμένου πολυμερούς με δεκαεξυλαμίνη (ΗΑΜ) και τριαιθυλαμίνη (ΤΕΑΜ) σε διαφορετικά ποσοστά τροποποιήσεων. Οι παραπάνω συνθέσεις έγιναν με σκοπό να μελετηθούν οι βιοστατικές ιδιότητες των τροποποιημένων πολυμερών, καθώς και η συμπεριφορά (αυτο)οργάνωσης σε υδατικά διαλύματα ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΙΑ/ ΔΙΑΛΥΤΕΣ Τα μονομερή 4-βινυλοβένζυλο χλωρίδιο (VBC), ο εκκινητής αζωδιϊσοβούτυλο νιτρίλιο (ΑΙΒΝ), τα αντιδραστήρια Ν,Ν,Ν-διμεθυλοδεκαεξυλαμίνη (ΗΑΜ), τριαιθυλαμίνη (ΤΕΑΜ), 18- crown-6, οι διαλύτες Ν,Ν-διμεθυλοφορμαμίδιο (DMF), χλωροφόρμιο (CHCl 3 ) διμεθυλοσουλφοξείδιο (DMSO), ακετόνη, οι δευτεριωμένοι διαλύτες χλωροφόρμιο (CDCL 3 ) και Η 2 Ο) είναι προϊόντα της εταιρίας Aldrich. Υπερκαθαρό νερό αποκτήθηκε μέσω μιας συσκευής SG Waters. 62

65 ΕΠΙΦΑΝΕΙΟΔΡΑΣΤΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ Η επιφανειοδραστική ένωση δωδεκυλοθειικό νάτριο (SDS) αποκτήθηκε από την εταιρία MERCK ΜΕΘΟΔΟΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΦΩΤΟΦΥΣΙΚΗΣ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ Για το χαρακτηρισμό των πολυμερών που συνθέσαμε χρησιμοποιήθηκαν οι παρακάτω μέθοδοι. i. Φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού υδρογόνου ( 1 H-NMR) Για την μελέτη των μονομερών και των πολυμερών ως προς τη δομή και τη σύστασή τους χρησιμοποιήθηκε φασματοφωτόμετρο Bruker Avance DPX 400 MHz. Για τη διάλυση των δειγμάτων χρησιμοποιήθηκαν δευτεριωμένο χλωροφόρμιο (CDCl3) με εσωτερικό πρότυπο TMS ή δευτεριωμένο H 2 O (deuterium oxide). ii. Φασματοσκοπία υπερύθρου (ATR-IR) Τα φάσματα ATR-FTIR ελήφθησαν από φασματογράφο Bruker Optics Alpha-P Diamond ATR Spectrometer of Bruker Optics GmbH. iii. Χρωματογραφία αποκλεισμού μεγεθών (SEC) Το ομοπολυμερές PVBC (SA1) χαρακτηρίστηκε επιπλέον με χρωματογραφία SEC με κινητή φάση χλωροφόρμιο (CHCl 3 ) και ταχύτητα ροής 1ml/min., σε χρωματογράφο αποτελούμενο από αντλία Μarathon II και χρωματογραφικές στήλες Plgel 5-μm, με ένα ανιχνευτή UV (254nm). Η βαθμονόμηση του συστήματος έγινε με πρότυπα δείγματα πολυστυρολίου (PS). Για τη φυσικοχημική μελέτη των πολυμερών χρησιμοποιούμε τις παρακάτω μεθόδους. i. Ιχνηθέτηση με Nile Red Για τον προσδιορισμό των κρίσιμων συγκεντρώσεων μικκυλοποίησης καθώς και για την ανίχνευση των υδρόφοβων μικροπεριοχών, οι οποίες σχηματίζονται στα υδατικά 63

66 διαλύματα λόγω της συμπλοκοποίησης των συμπολυμερών με τις επιφανειοδραστικές ενώσεις, χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της ιχνηθέτησης με φθορίζοντες ιχνηθέτες (συγκεκριμένα, το Nile Red) με τη βοήθεια ενός Perkin Elmer LS45B, χρησιμοποιώντας μία κυψελίδα χαλαζία των 10 mm. ii. Θολομετρία (UV-Vis) Η οπτική πυκνότητα των διαλυμάτων πολυμερούς/επιφανειοδραστικής ένωσης προσδιορίστηκε σαν συνάρτηση της συγκέντρωσης της ουσίας στα 550nm, όπου δεν υπάρχει απορρόφηση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από το πολυμερές, με τη βοήθεια ενός φασματοφωτομέτρου υπεριώδους-ορατού (UV-Vis)Hitashi U Οι μετρήσεις έγιναν σε κυψελίδα χαλαζία (Quartz) και η θερμοκρασία παράμενε σταθερή στους 22 ο C με την χρήση θερμοστατούμενου υδατόλουτρου. Η διαδικασία που ακολουθήθηκε για όλες τις μετρήσεις ήταν η παρασκευή υδατικών διαλυμάτων των διαφόρων συμπολυμερών που έχουμε συνθέσει με διαφορετικές συγκεντρώσεις επιφανειοδραστικής ένωσης. iii. Ιξωδομετρία Για τη μέτρηση του απόλυτου και του ανηγμένου ιξώδους, χρησιμοποιήθηκε τριχοειδές ιξωδόμετρο τύπου Ostwald το οποίο χαρακτηρίζεται από σταθερό όγκο. Το όργανο το οποίο χρησιμοποιήθηκε για τις παραπάνω μελέτες είναι της εταιρίας Schott-Gerate ck ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Πειραματική πορεία σύνθεσης πολυ(βινυλο βενζυλο χλωριδιου) PVBC (SA1). Για τη σύνθεση του πολυμερούς πολυ(βινυλοβενζυλο χλωρίδιο) γίνεται ομοπολυμερισμός ελευθέρων ριζών του μονομερούς VBC (4vinylbenzylchloride). Σε τρίλαιμη απαεριωμένη σφαιρική φιάλη προστίθενται 19 ml (0.13 mol) μονομερούς VBC, το οποίο διαλύεται σε οργανικό διαλύτη DMF και αφήνεται σε ανάδευση για 30 min. Στην συνέχεια προστίθενται 0,11 g (6,7x10-4 mol) εκκινητή ΑΙΒΝ και ρυθμίζεται η θερμοκρασία στους 80 o C. Συνεχίζεται η ίδια διαδικασία για ακόμη 30 min και τέλος αφήνεται σε ήπια ανάδευση το διάλυμα μέχρι την επόμενη ημέρα. Για την παραλαβή του πολυμερούς PVBC, το διάλυμα καταβυθίζεται σε 500 ml μεθανόλης (ΜeOH) και στη συνέχεια γίνεται διήθηση του στερεού με πορώδες ηθμό G3. Στη συνέχεια τοποθετείται το στερεό σε τριβλίο μεγάλης διαμέτρου και εισάγεται σε 64

67 φούρνο με υδραντλία σε θερμοκρασία 50 ο C για δύο ημέρες και σε φούρνο υπό κενό για τις επόμενες τρεις. Την πρώτη ημέρα η θερμοκρασία ρυθμίζεται στους 50 ο C, τη δεύτερη στους 60 ο C και την τρίτη στους 40 ο C. Η σύνθεση του πολυμερούς πιστοποιήθηκε με φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού 1 Η ΝMR και φασματοσκοπία υπερύθρου ATR-IR Πειραματική πορεία σύνθεσης του πολυ(χλωριούχου βινυλοβένζυλο διμεθυλο-δεκαεξυλαμμωνίου) P(VBC-VBCΗΑΜ5%) (SA2). Για τη μερική τροποποίηση του πολυμερούς PVBC, που συντέθηκε στο προηγούμενο βήμα, με HAM (διμέθυλο δεκαεξυλαμίνη) σε αναλογία κατά mol 5% διαλύονται 4,0 g (0,026 mol) πολυμερούς PVBC (SA1) σε κωνική φιάλη με 15ml CHCl 3. Tο διάλυμα αφήνεται σε ανάδευση για 60 min. Για την τροποποίηση του πολυμερούς με HAM της τάξης του 5%, προστίθενται 0,4 g (1,5x10-3 mol) δεκαεξυλαμίνης. Το διάλυμα αφήνεται και πάλι σε ανάδευση για τρεις ημέρες. Για την παραλαβή του υλικού γίνεται καταβύθιση σε 100 ml διαιθυλαιθέρα και στη συνέχεια γίνεται διήθηση με πορώδη ηθμό G3. Το στερεό που τελικά παραλαμβάνεται, τοποθετείται σε τριβλίο μεγάλης επιφάνειας και κατόπιν ξηραίνεται σε φούρνο με υδραντλία για μία ημέρα στους 45 ο C. Τέλος εισάγεται σε φούρνο υπό κενό στους 45 ο C για 2 ημέρες. Η σύνθεση του τροποποιημένου πολυμερούς πιστοποιήθηκε με φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού ¹H-NMR σε CDCl 3 και με φασματοσκοπία υπερύθρου ATR-IR Πειραματική πορεία της τροποποίησης του πολυ(βινυλοβενζυλο χλωριδίου) με δεκαεξυλαμίνη και τριαιθυλαμίνη P(VBCHAM5%-co- VBCTEAM) (SA3). Για την ολική τροποποίηση του πολυμερούς P(VBCHAM5%) με τριαιθυλαμίνη (ΤΕΑΜ), 1,99 g του πολυμερούς SA2 διαλύονται σε 10 ml CHCl 3 σε κωνική φιάλη των 50ml. Το διάλυμα αφήνεται σε ανάδευση για 2 ώρες και στη συνέχεια προστίθενται 2,7 ml (0,020 mol) ΤΕΑΜ. Παρατηρείται ότι με την προσθήκη του ΤΕΑΜ το διάλυμα διαυγάζει και γίνεται κίτρινο. Αφήνεται και πάλι σε ανάδευση για 3 ημέρες. Για την παραλαβή του υλικού, γίνεται καταβύθιση σε 200 ml οξικού αιθυλεστέρα (Ethyl Acetate) και στη συνέχεια διήθηση με πορώδη ηθμό G3, και συνεχείς πλύσεις στον ίδιο οργανικό διαλύτη. Το υλικό που παραλήφθηκε τοποθετείται σε τριβλίο μεγάλης διαμέτρου, και στη συνέχεια ξηραίνεται σε φούρνο με υδραντλία στους 46 C για μία ημέρα. Τέλος εισάγεται σε φούρνο υπό κενό στους 45 C για δύο ημέρες για την ολική απομάκρυνση του διαλύτη. 65

68 Η τροποποίηση του πολυμερούς πιστοποιήθηκε με φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού ¹H-NMR σε δευτεριωμένο νερό (deuterium oxide) και με φασματοσκοπία υπερύθρου ATR-IR. Με τον ίδιο τρόπο συνολικά παρασκευάστηκαν τα παρακάτω πολυμερή και συμπολυμερή (Πίνακας 3.1). Πίνακας 3.1. Κατάλογος συντεθιμένων στο εργαστήριο πολυμερών και συμπολυμερών. SA 1 SA 2 SA 3 SA 4 SA 5 SA 7 SA 8 SA 10 SA 12 SA 13 SA 14 SA 15 SA 16 PVBC P(VBC-co-VBCHAM5%) P(VBCHAM5%-co-VBCTEAM) P(VBC-co-VBCHAM10%) P(VBCHAM10%-co-VBCTEAM) P(VBC-co-VBCHAM33%) P(VBCHAM33%-co-VBCTEAM) PVBCTEAM P(VBC-co-VBCHAM55%) P(VBC-co-VBCHAM80%) PVBCHAM P(VBCHAM55%-co-VBCTEAM) P(VBCHAM80%-co-VBCTEAM) 3.4. ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ PVBC Το πρώτο βήμα για την παρασκευή όλων των πολυμερών που μας απασχολούν σε αυτό το κεφάλαιο είναι ο ομοπολυμερισμός του μονομερούς VBC (βινυλοβενζυλο χλωρίδιο) μέσω της τεχνικής ελευθέρων ριζών (free polymerization modification). Ο διαλύτης που επιλέγεται είναι το διμεθυλοφορμαμίδιο (DMF) και ο εκκινητής είναι το ΑΙΒΝ. Ο πολυμερισμός γίνεται σε θερμοκρασία 80 ο C (Σχήμα 3.10). 66

69 AIBN DMF, 80 o C VBC PVBC Σχήμα Σχηματική απεικόνιση της διαδικασίας ομοπολυμερισμού μέσω ελευθέρων ριζών του VBC προς PVBC. Για τη διάλυση του πολυμερούς και το χαρακτηρισμό του με τη μέθοδο 1 Η NMR χρησιμοποιήθηκε δευτεριωμένο χλωροφόρμιο (CDCl 3 ) (Σχήμα 3.11). Σχήμα Φάσμα πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού 1 Η NMR για το συντεθιμένο PVBC (SA1) σε CDCl 3. Τα πρωτόνια από την κύρια αλυσίδα του πολυμερούς παρατηρούνται στην περιοχή ppm (a,b). Στην περιοχή ppm εμφανίζονται οι κορυφές που αντιστοιχούν στα πρωτόνια του αρωματικού δακτυλίου (c,d). Στην περιοχή ppm εμφανίζονται οι κορυφές που αντιστοιχούν στα πρωτόνια της ομάδας CH 2 που ενώνεται με το Cl (f). Το ομοπολυμερές PVBC χαρακτηρίστηκε επιπλέον με χρωματογραφία SEC με κινητή φάση χλωροφόρμιο (CHCl 3 ) και πρότυπα δείγματα πολυστυρολίου (PS). Το χρωματογράφημα του πολυμερούς παρουσιάζεται στο Σχήμα Με βάση την καμπύλη βαθμονόμησης, από το χρωματογράφημα αυτό το μέσο μοριακό βάρος κατά μάζα Mw 67

70 signal (a.u.) προσδιορίζεται σε , το μέσο μοριακό βάρος κατ αριθμόν Mn είναι και ο συντελεστής πολυδιασποράς Ι είναι Time (min) 15 Σχήμα 3.12 Χρωματογράφημα SEC του PVBC με κινητή φάση CHCl ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ P(VBC-co-VBCHAMx). Στο σημείο αυτό παρατίθεται η τροποποίηση του πολυμερούς PVBC με δεκαεξυλαμίνη (ΗΑΜ) σε διάφορα ποσοστά (Σχήμα 3.13). Σχήμα Χημική δομή των συμπολυμερών P(VBC-co-VBCHAMx) (δεξιά) και σχηματική απεικόνιση της διαδικασίας τροποποίησης. 68

71 Στο Σχήμα 3.14 παρουσιάζεται το φάσμα πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού 1 H ΝΜR του P(VBC-co-VBCHAM5%) (SA2). Για τη διάλυση του πολυμερούς και το χαρακτηρισμό του χρησιμοποιήθηκε δευτεριωμένο χλωροφόρμιο (CDCl 3 ). Σχήμα 3.14 Φάσμα πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού 1 Η ΝΜR για το πολυμερές P(VBCco-VBCHAM5%) (SA2). Στο Σχήμα 3.14, όπου παρουσιάζεται το φάσμα πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού 1 H NMR του πολυμερούς P(VBC-co-VBCHAM5%), εμφανίζονται οι χαρακτηριστικές κορυφές των πρωτονίων του P(VBC-co-VBCHAM5%). Στην περιοχή 3-3,5 ppm εντοπίζονται τα πρωτόνια των δύο μεθυλίων και τα πρωτόνια της ομάδας μεθυλενίου (i) τα οποία είναι χαρακτηριστικά του HAM. Στην περιοχή 6-7,2 ppm εντοπίζονται τα πρωτόνια των αρωματικών δακτυλίων (c,c ) και (d,d ) των ομάδων PVBC. Στην περιοχή 0,7-1 ppm εντοπίζονται τα πρωτόνια της ομάδας μεθυλίου (e) του ΗΑΜ και τέλος στην περιοχή 4,3-4,7 ppm εντοπίζονται τα πρωτόνια των 2 ομάδων μεθυλενίου (f,f ) του VBC και VBCHAM. Στο Σχήμα 3.15 παρουσιάζονται τα φάσματα 1 H ΝΜR για τα πολυμερή του βινυλοβενζυλοχλωριδίου που έχουν συντεθεί στο εργαστήριο με μερική τροποποίηση δεκαεξυλαμίνης. Παρατηρούνται διαφορές όσο ανεβαίνουμε προς τα επάνω, από το φάσμα δηλαδή του πολυμερούς που δεν έχει τροποποιηθεί με ΗΑΜ έως το φάσμα του πολυμερούς που είναι πλήρως τροποποιημένο. Συγκρίνοντας το φάσμα του PVBC με αυτό του P(VBC-co-VBCHAM5%), στο φάσμα του δευτέρου παρατηρείται ότι στην περιοχή 0,7-1 ppm εμφανίζονται δύο καινούργιες κορυφές που ανήκουν στην ομάδα μεθυλίου ( e) του ΗΑΜ. Στην περιοχή 3-3,5 ppm εμφανίζονται επίσης δύο κορυφές που ανήκουν στα πρωτόνια των δύο ομάδων CH 3 (i) και της ομάδας CH 2 (i) τα οποία είναι χαρακτηριστικά για τη δεκαεξυλαμίνη. Τέλος στην περιοχή 6-7,2 ppm εντοπίζονται τα πρωτόνια του αρωματικού δακτυλίου (c,c ) και (d,d ) του PVBC. 69

72 Σχήμα 3.15 Φάσματα 1 H ΝΜR για τα συντεθιμένα πολυμερή με μερική τροποποίηση με ΗΑΜ σε διάφορα ποσοστά. Συγκρίνοντας τα φάσματα των πολυμερών που έχουν τροποποιηθεί με ΗΑΜ, από τη μικρότερη έως τη μεγαλύτερη (ολική) τροποποίηση, παρατηρείται ότι όσο ανεβαίνουμε προς τα επάνω, οι κορυφές που εμφανίζονται στην περιοχή 3-3,5 ppm (χαρακτηριστικές ομάδες του ΗΑΜ) γίνονται εντονότερες, γεγονός που πιστοποιεί τη μεγαλύτερη τροποποίηση με δεκαεξυλαμίνη. Στην περιοχή 4,3-4,7 ppm, όσο ανεβαίνουμε προς τα επάνω, παρατηρείται η σταδιακή εξαφάνιση της κορυφής στην οποία εντοπίζονται τα πρωτόνια της μίας εκ των δύο ομάδων CH 2 (f), του VBC και η εμφάνιση μίας δεύτερης κορυφής στην οποία εντοπίζονται τα πρωτόνια (f ) της δεύτερης εκ των δύο ομάδων μεθυλενίου και πάλι του VBC, λόγω της δέσμευσης με το άζωτο της ομάδας του ΗΑΜ. Στο φάσμα που ανήκει στο 100 % τροποποιημένο πολυμερές παρατηρείται η ολική εξαφάνιση της πρώτης κορυφής. Τέλος, στην περιοχή 6-7,2 ppm, παρατηρείται μετατόπιση προς τα αριστερά της μίας εκ των δύο κορυφών, στην οποία εντοπίζονται τα πρωτόνια του αρωματικού δακτυλίου (d, d ). Στον Πίνακα 3.2 παρουσιάζεται η σύσταση των νέων συμπολυμερών, όπως εκτιμώνται από τα φάσματα 1 H NMR. Όπως διαπιστώνεται, στις περισσότερες περιπτώσεις υπάρχει καλή έως πολύ καλή συμφωνία με τη σύσταση τροφοδοσίας. Πίνακας 3.2 Πολυμερή που έχουν συντεθεί στο εργαστήριο, σύσταση τροφοδοσίας και σύσταση συμπολυμερών από 1 Η ΝMR. Πολυμερές Σύσταση τροφοδοσίας 70 Σύσταση συμπολυμερών από 1 H NMR Λόγος κορυφών Λόγος κορυφών i/c i/f P(VBC-co-VBCHAM5%) 5 % 5,1 % 5,4 % P(VBC-co-VBCHAM10%) 10 % 10,0 % 9,6 % P(VBC-co-VBCHAM33%) 33 % 30,4 % 31,0 %

73 absorbance P(VBC-co-VBCHAM55%) 55 % 64,6% 62,2 % P(VBC-co-VBCHAM80%) 80 % 81,0 % 87,7 % PVBCHAM 100 % 91,2 % 99,7% Στο Σχήμα 3.16 παρατίθενται τα φάσματα ATR-IR των επτά πολυμερών που έχουν συντεθεί στο εργαστήριο. PVBC HAM5% HAM10% HAM33% HAM55% HAM80% HAM100% wavenumber 1/cm Σχήμα 3.16 Φάσματα ΑΤR-IR για τα συντεθιμένα στο εργαστήριο πολυμερή PVBC, P(VBC-co- VBCHAM5%), P(VBC-co-VBCHAM10%), P(VBC-co-VBCHAM33%), P(VBC-co-VBCHAM55%), P(VBCco-VBCHAM80%), PVBCHAM. Στα 675 cm -1 εμφανίζεται ο δεσμός C-Cl του PVBC. Η κορυφή αυτή είναι πολύ σημαντική, γιατί όταν κάνουμε τροποποίηση με τη δεκαεξυλαμίνη (ΗΑΜ), διασπάται ο δεσμός C-Cl με αποτέλεσμα να εξαφανίζεται η κορυφή. H κορυφή στα 1480 cm -1 οφείλεται στο δεσμό C-N του ΗΑΜ, με αποτέλεσμα όσο μεγαλύτερη είναι η τροποποίηση με ΗΑΜ, τόσο εντονότερη να γίνεται η κορυφή. 71

74 ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ P(VBCHAMx%-co-VBCTEAM). Στα μερικώς τροποποιημένα με δεκαεξυλαμίνη πολυμερή γίνεται περαιτέρω τροποποίηση με τραιθυλαμίνη ώστε να γίνουν 100% κατιοντικά, όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα Σχήμα Χημική δομή των συμπολυμερών P(VBCHAMx%-co-VBCTEAM)) (δεξιά) και σχηματική απεικόνιση της διαδικασίας τροποποίησης. Το φάσμα 1 Η NMR του συμπολυμερούς P(VBCHAM5%-co-VBCTEAM) με διαλύτη το δευτεριωμένο νερό (deuterium oxide, D 2 O) παρουσιάζεται στο Σχήμα a b b a c c c c d d d d f f i,m m,k m,k m,k i i i e d c f k δ (ppm) Σχήμα Φάσμα πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού 1 ΗNMR του συντεθιμένου P(VBCHAM5%-co-VBCTEAM) (SA3). 72

75 Στην περιοχή 6-7,2 ppm εντοπίζονται τα πρωτόνια του αρωματικού δακτυλίου (c, d) των ομάδων PVBC. Λόγω το γεγονότος ότι το ποσοστό ΗΑΜ είναι πολύ μικρό (5%) στο φάσμα NMR φαίνονται να υπερισχύουν οι κορυφές του VBCTEAM με τα εννέα υδρoγόνα των ομάδων μεθυλίου (k) να εμφανίζονται στα 1,1 ppm και τα έξι υδρογόνα των ομάδων μεθυλενίoυ (m) που συνδέονται με το άζωτο να εμφανίζονται στα 3,3 ppm. Τα φάσματα πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού 1 Η ΝΜR των συμπολυμερών τύπου P(VBCHAMx%-co-VBCTEAM) που συντέθηκαν στο εργαστήριο παρουσιάζονται στο Σχήμα Σταδιακά παρατηρείται ότι πηγαίνοντας από το Σχήμα 3.19 α) έως το στ) η κορυφή όπου εντοπίζονται οι ομάδες μεθυλενίου (k) του ΤΕΑΜ στα 1,1 ppm σταδιακά αρχίζει να μειώνεται. Το γεγονός αυτό εμφανίζεται ιδιαίτερα στα φάσματα 1 H NMR α) και δ) για τα συμπολυμερή PVBCTEAM και P(VBCHAM33%-co-VBCTEAM) αντίστοιχα. Αυτό οφείλεται στην αύξηση της τροποποίησης των συμπολυμερών με δεκαεξυλαμίνη (ΗΑΜ). Αντίστοιχα έντονη διαφοροποίηση εμφανίζεται για την κορυφή στα 3,3 ppm όπου εντοπίζονται οι ομάδες μεθυλίου (m) του ΤΕΑΜ συγκρίνοντας τα φάσματα α) και δ) και πάλι. Από το Σχήμα δ) και μετά τα σήματα έχουν φαρδύνει, γεγονός που οφείλεται στη δημιουργία worm-like μικκυλίων, με αποτέλεσμα να χάνεται η ευκρίνεια των σημάτων. 73

76 α) PVBCTEAM β) P(VBCHAM5%-co-VBCTEAM) δ (ppm) δ (ppm) γ) P(VBCHAM10%-co-VBCTEAM δ) P(VBCHAM33%-co-VBCTEAM) δ (ppm) δ (ppm) ε) P(VBCHAM55%-co-VBCTEAM) στ) P(VBCHAM80%-co-VBCTEAM) δ (ppm) δ (ppm) Σχήμα 3.19 Φάσματα 1 H NMR για τα συντεθιμένα στο εργαστήριο συμπολυμερή α)pvbcteam, β) P(VBCHAM5%-co-VBCTEAM), γ) P(VBCHAM10%-co-VBCTEAM, δ) P(VBCHAM33%-co-VBCTEAM), ε) P(VBCHAM55%-co-VBCTEAM), στ) P(VBCHAM80%-co- VBCTEAM). 74

77 absorbance Στο Σχήμα 3.20 παρατίθενται τα φάσματα ATR-IR των έξι συμπολυμερών με ολική τροποποίηση με δεκαεξυλαμίνη και τριαιθυλαμίνη, σε διαφορετικά ποσοστά, που έχουν συντεθεί στο εργαστήριο σε σύγκριση με το ομοπολυμερές PVBC. PVBC P(VBCHAM5%-co-VBCTEAM) P(VBCHAM10%-co-VBCTEAM) P(VBCHAM33%-co-VBCTEAM) P(VBCHAM55%-co-VBCTEAM) P(VBCHAM80%-co-VBCTEAM) PVBCTEAM wavenumber 1/cm Σχήμα 3.20 Φάσμα ATR-IR του ομοπολυμερούς PVBC και των συμπολυμερών P(VBCΗΑΜ5%- co-vbcτεαμ), P(VBCΗΑΜ10%-co-VBCΤΕΑΜ), P(VBCΗΑΜ33%-co-VBCΤΕΑΜ), P(VBCΗΑΜ55%-co-VBCΤΕΑΜ), P(VBCHAM80%-co-VBCTEAM), PVBCHAM100%. Όταν γίνεται 100% τροποποίηση του πολυμερούς με HAM και ΤΕΑΜ, εμφανίζονται στα 1460 και 1480 cm -1 2 νέες κορυφές για το ΤΕΑΜ. Οι κορυφές αυτές οφείλονται στις απορροφήσεις δόνησης του δεσμού (C-N) του ΤΕΑΜ. Επίσης παρατηρείται η εμφάνιση μίας νέας κορυφής στα 1010 cm -1 η οποία οφείλεται στην απορρόφηση δόνησης του δεσμού των ανθράκων των αιθυλενομάδων που είναι συνδεδεμένοι με το άζωτο και είναι χαρακτηριστικές του ΤΕΑΜ. 75

78 PL intensity (a. u.) 3.5. ΜΕΛΕΤΗ ΑΥΤΟΟΡΓΑΝΩΣΗΣ ΣΕ ΥΔΑΤΙΚΑ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ Στο κεφάλαιο αυτό πραγματοποιείται φασματομετρία μοριακής φωταύγειας έτσι ώστε να μελετηθεί η αυτοοργάνωση των πολυμερών και συμπολυμερών σε υδατικά διαλύματα. Γίνεται παρασκευή υδατικών διαλυμάτων όλων των υδατοδιαλυτών πολυμερών και συμπολυμερών, σε διαφορετικές συγκεντρώσεις πολυμερούς. Μέσω της ιχνηθέτησης με Nie Red υπολογίζεται η συγκέντρωση του πολυμερούς πάνω από την οποία παρατηρείται σχηματισμός υδρόφοβων μικροπεριοχών. Υπολογίζεται δηλαδή ουσιαστικά η cmc (κρίσιμη συγκέντρωση μικκυλοποίησης) του κάθε πολυμερούς. Πιο συγκεκριμένα παρασκευάζεται σειρά υδατικών διαλυμάτων των 3 ml για κάθε πολυμερές, με διαφορετική συγκέντρωση πολυμερούς. Στη συνέχεια προστίθεται διάλυμα της υδρόφοβης χρωστικής ουσίας Nile Red σαν φθορίζων ιχνηθέτης (5 μl διαλύματος συγκεντρώσεως 10-3 Μ). Η ακτινοβολία διέγερσης καθορίζεται στα 550 nm και το φάσμα εκπομπής λαμβάνεται στην περιοχή 570 nm nm PVBCTEAM P(VBCHAM33%-co-VBCTEAM) P(VBCHAM10%-co-VBCTEAM) P)VBCHAM5%-co-VBCTEAM) P(VBCHAM50%-co-VBCTEAM) P(VBCHAM80%-co-VBCTEAM) E-4 1E polymer concentration % (w/v) Σχήμα 3.21 Διάγραμμα της έντασης εκπομπής του Nile Red έναντι της συγκέντρωσης του πολυμερούς για τα συντεθιμένα συμπολυμερή P(VBCTEAM-co-VBCHAM5%), P(VBCTEAMco-VBCHAM10%) P(VBCTEAM-co-VBCHAM33%), P(VBCTEAM-co-VBCHAM55%), P(VBCTEAM-co-VBCHAM80%), PVBCTEAM. Στο Σχήμα 3.21 παρουσιάζεται η εξάρτηση της εκπομπής του Nile Red από τη συγκέντρωση του πολυμερούς στα υδατικά διαλύματα για τη σειρά συμπολυμερών P(VBCHAMx%-co-VBCHAM). H κρίσιμη συγκέντρωση μικκυλοποίησης (cmc), στο διάγραμμα 76

79 viscosity (mpa.s) ενός συγκεκριμένου πολυμερούς, εντοπίζεται στο σημείο όπου παρατηρείται απότομη κλίση της καμπύλης. Ως εκ τούτου παρατηρείται ότι όσο μεγαλύτερη είναι η τροποποίηση με HAM, τόσο νωρίτερα εμφανίζεται η cmc για κάθε διαφορετικό υδατικό διάλυμα. Η ιξώδης συμπεριφορά των πολυμερών σε αραιά διαλύματα δίνει σημαντικές πληροφορίες για τη διαμόρφωσή τους στο διάλυμα, το μοριακό τους βάρος αλλά και τη συγκέντρωση του πολυμερούς πάνω από την οποία παρατηρείται ο σχηματισμός μικκυλίων. Μια εκτίμηση του απόλυτου ιξώδους αραιών διαλυμάτων πολυμερών μπορούμε να έχουμε συγκρίνοντας το χρόνο ροής t διαλύματος δοθέντος όγκου διαμέσου ενός τριχοειδούς με το χρόνο ροής, t 0 ίσου όγκου καθαρού διαλύτη. Οι μετρήσεις του ιξώδους για τα πολυμερή που έχουν συντεθεί στο εργαστήριο υπολογίζεται με τη βοήθεια ενός τριχοειδούς σωλήνα τύπου Ostwald, στον οποίο προστίθενται 2 ml υδατικού διαλύματος του πολυμερούς σε διάφορες συγκεντρώσεις μέσα στο διάλυμα P(VBCHAM55%-co-VBCTEAM) P(VBCHAM80%-co-VBCTEAM) P(VBCHAM5%-co-VBCTEAM) P(VBCHAM10%-co-VBCTEAM) E-4 1E Polymer concentration % (w/v) Σχήμα 3.22 Διάγραμμα ιξωδομετρικής συμπεριφοράς των P(VBCHAM5%-co-VBCTEAM), P(VBCHAM10%-co-VBCTEAM), P(VBCHAM55%-co-VBCTEAM) και P(VBCHAM80%-co- VBCTEAM). Στο Σχήμα 3.22 περιγράφεται η ιξωδομετρική συμπεριφορά των συντεθιμένων πολυμερών, σε υδατικά διαλύματα, και σε διαφορετικές συγκεντρώσεις πολυμερούς. Παρατηρείται ότι όσο μεγαλύτερο είναι το ποσοστό τροποποίησης με την υδρόφοβη μονάδα HAM (και, επομένως, όσο μεγαλύτερο το ποσοστό τροποποίησης με την υδρόφιλη μονάδα ΤΕΑΜ), τόσο μεγαλύτερο είναι το ιξώδες των υδατικών διαλυμάτων, για τις ίδιες συγκεντρώσεις πολυμερούς. Μάλιστα, το συμπολυμερές P(VBCHAM80-co-VBCTEAM) είναι 77

80 οριακά διαλυτό στο νερό, ως αποτέλεσμα του μεγάλου ποσοστού υδρόφοβης τροποποίησης και, ουσιαστικά, διασπείρεται σε αυτό με τη μορφή συμπαγών συσσωματωμάτων. Γι αυτό το λόγο, το ιξώδες των διαλυμάτων του είναι παρόμοιο με το ιξώδες του καθαρού διαλύτη, στην περιοχή συγκεντρώσεων που ήταν εφικτό να μετρηθεί. Πρέπει να σημειωθεί πως σε υψηλότερες συγκεντρώσεις το διάλυμα εμφανίζονταν μακροσκοπικά θολό, όπως αναμενόταν με βάση το υψηλό ποσοστό υδρόφοβης τροποποίησής του ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ ΜΕ ΕΠΙΦΑΝΕΙΟΔΡΑΣΤΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ Ακολούθησε μελέτη της αλληλεπίδρασης των κατιοντικών πολυμερών που έχουν συντεθεί με ανιοντικές επιφανειοδραστικές ενώσεις. Οι ενώσεις αυτές φέρουν αρνητικά φορτισμένη κεφαλή. Το αρνητικό φορτίο οφείλεται συνήθως σε ομάδες όπως καρβοξυλικές, θειικές, σουλφονικές ή φωσφορικές. Ως αντισταθμιστικό ιόν έχουν συνήθως το ιόν του νατρίου. Στο Σχήμα παρουσιάζεται ίσως η πιο διαδεδομένη πλέον ανιονική επιφανειοδραστική ένωση, το δωδεκυλοθειικό νάτριο (SDS) (Σχήμα 2.23). Σχήμα 3.23 Χημική δομή της επιφανειοδραστικής ένωσης Δωδεκυλοθειικό νάτριο (SDS). Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται εισαγωγή της παραπάνω επιφανειοδραστικής ένωσης, σε υδατικά πολυμερικά διαλύματα που έχουν παρασκευαστεί στο εργαστήριο. Τα διαλύματα έχουν σταθερή συγκέντρωση πολυμερούς 0,1% και διαφορετικές συγκεντρώσεις επιφανειοδραστικής ένωσης ΘΟΛΟΜΕΤΡΙΑ Σε υδατικά διαλύματα των συμπολυμερών με ολική τροποποίηση ΗΑΜ και ΤΕΑΜ που συντέθηκαν στο εργαστήριο, με σταθερή συγκέντρωση συμπολυμερούς 0,1% έγιναν πειράματα θολομετρίας χρησιμοποιώντας φασματοφωτομετρία UV-Vis. Για τη μελέτη θολομετρίας των συμπολυμερών η θερμοκρασία ρυθμίστηκε στους 22 ο C και η οπτική 78

81 turbidity πυκνότητα των διαλυμάτων πολυμερούς/επιφανειοδραστικής ένωσης προσδιορίστηκε σαν συνάρτηση της συγκέντρωσης της ουσίας στα 550nm (Σχήμα 3.24) P(VBCHAM33%-co-VBCTEAM) PVBCTEAM P(VBCHAM55%-co-VBCTEAM) P(VBCHAM80%-co-VBCTEAM) P(VBCHAM10%-co-VBCTEAM) P(VBCHAM5%-co-VBCTEAM) E-4 1E SDS concentration (mm) Σχήμα 3.24 Διάγραμμα θολότητας των διαλυμάτων σε συνάρτηση με τη συγκέντρωση σε επιφανειοδραστική ένωση SDS εκφρασμένη σε mm για τα συντεθιμένα συμπολυμερή P(VBCHAM5%-co-VBCTEAM), P(VBCHAM10%-co-VBCTEAM), P(VBCHAM33%-co-VBCTEAM), P(VBCHAM55%-co-VBCTEAM), P(VBCHAM80%-co-VBCTEAM) και P(VBCTEAM). Παρατηρείται ότι τα διαλύματα των συμπολυμερών με μεγαλύτερα ποσοστά ΗΑΜ εμφανίζουν θόλωση για μικρότερες συγκεντρώσεις επιφανειοδραστικής ένωσης SDS. Συγκεκριμένα για το P(VBCHAM80%-co-VBCTEAM) η θόλωση του διαλύματος ξεκινάει από μόλις 0,1 mm συγκέντρωση σε SDS, για τo P(VBCHAM55%-co-VBCTEAM) η θόλωση ξεκινάει για 0,2 mm SDS και για το P(VBCHAM33%-co-VBCTEAM) για 0,5 mm SDS. Για τα διαλύματα των συμπολυμερών P(VBCHAM10%-co-VBCTEAM), P(VBCHAM5%-co-VBCTEAM) και PVBCTEAM η θόλωση ξεκινάει για συγκέντρωση SDS 3mM. H παραπάνω ιδιότητα οφείλεται στην αύξηση των υδρόφοβων ομάδων και εν συνεχεία στη δημιουργία αδιάλυτων στο νερό συσσωματωμάτων όσο πλησιάζουμε στη στοιχειομετρία φορτίων. 79

82 viscosity (mpa.s) ΙΞΩΔΟΜΕΤΡΙΑ Για την καλύτερη κατανόηση της αλληλεπίδρασης επιφανειοδραστικών ενώσεων/ συμπολυμερούς γίνονται μετρήσεις ιξωδομετρίας. Αρχικά παρασκευάζονται υδατικά διαλύματα με την ίδια συγκέντρωση συμπολυμερούς, 0,1 %. Στη συνέχεια γίνεται προσθήκη της επιφανειοδραστικής ένωσης σε διαφορετικές συγκεντρώσεις. Για τη μέτρηση του ιξώδους και του ανηγμένου ιξώδους αντίστοιχα, παίρνεται δείγμα διαλυμάτων ίσο με 2ml και τοποθετείται σε τριχοειδή τύπου Ostwald. Η θερμοκρασία ρυθμίζεται στους 25 ο C. Με βάση τις μετρήσεις του ιξώδους και του ανηγμένου ιξώδους ακολουθούν διαγράμματα ιξωδομετρικής συμπεριφοράς των διαλυμάτων (Σχήμα 3.25 α,β) P(VBCHAM80%-co-VBCTEAM) P(VBCHAM55%-co-VBCTEAM) P(VBCTEAM) P(VBCHAM33%-co-VBCTEAM) P(VBCHAM5%-co-VBCTEAM) P(VBCHAM10%-co-VBCTEAM) P(VBCHAM80%-co-VBCTEAM) P(VBCHAM55%-co-VBCTEAM) P(VBCTEAM) P(VBCHAM33%-co-VBCTEAM) P(VBCHAM5%-co-VBCTEAM) P(VBCHAM10%-co-VBCTEAM) n red (mpa.s) E-4 1E SDS concentration (mm) -50 1E-4 1E SDS concentration (mm) Σχήμα α)εξάρτηση ιξώδους (η) από τη συγκέντρωση της επιφανειοδραστικής ένωσης SDS και β) Εξάρτηση του ανηγμένου ιξώδους (ηred) από τη συγκέντρωση της επιφανειοδραστικής ένωσης SDS για τα διαλύματα των συμπολυμερών P(VBCHAM5%-co- VBCTEAM), P(VBCHAM10%-co-VBCTEAM), P(VBCHAM33%-co-VBCTEAM), P(VBCHAM55%- co-vbcteam), P(VBCHAM80%-co-VBCTEAM) και P(VBCTEAM). Αυτό που παρατηρείται και στα δύο διαγράμματα, είναι ότι αρχικά το ιξώδες των διαλυμάτων αυξάνεται ελαφρά μέχρι ένα συγκεκριμένο σημείο συγκέντρωσης της επιφανειοδραστικής ένωσης. Από τη συγκέντρωση αυτή και έπειτα, το ιξώδες των διαλυμάτων εμφανίζεται να μειώνεται με μεγάλο ρυθμό και εν τέλει να προσεγγίζει το ιξώδες του διαλύτη. Η τιμή της συγκέντρωσης, μετά από την οποία παρατηρείται μείωση του απόλυτου και του ανηγμένου ιξώδους του διαλύματος αποτελεί μία πρώτη εκτίμηση 80

83 PL intensity (a. u.) της κρίσιμης συγκέντρωσης συσσωμάτωσης (cac), για την οποία έχει γίνει λόγος και στην εισαγωγή της παρούσας εργασίας. Η συγκέντρωση αυτή της συμπλοκοποίησης του πολυμερούς με την επιφανειοδραστική ένωση, παρατηρείται νωρίτερα στα διαλύματα, όπου το συμπολυμερές έχει μεγαλύτερο ποσοστό ΗΑΜ ΙΧΝΗΘΕΤΗΣΗ ΜΕ NILE RED Για τον καλύτερη εκτίμηση της τιμής της κρίσιμης συγκέντρωσης συμπλοκοποίησης πολυμερούς / επιφανειοδραστικής ένωσης έγινε στα υδατικά διαλύματα που παρασκευάστηκαν και στην προηγούμενη ενότητα, ιχνηθέτηση με φθορίζοντες ιχνηθέτες, και συγκεκριμένα με Nile Red (Σχήμα 3.26) P(VBCHAM55%-co-VBCTEAM) P(VBCHAM80%-co-VBCTEAM) P(VBCHAM10%-co-VBCTEAM) P(VBCHAM5%-co-VBCTEAM) P(VBCHAM33%-co-TEAM) PVBCTEAM 1E-4 1E SDS concentration (mm) Σχήμα 3.26 Εξάρτηση της εκπομπής του Nile Red σε συνάρτηση με τη συγκέντρωση σε SDS εκφρασμένης σε mm, για τα συντεθιμένα συμπολυμερή P(VBCTEAM-co-VBCHAM5%), P(VBCTEAM-co-VBCHAM10%) P(VBCTEAM-co-VBCHAM33%), P(VBCTEAM-co-VBCHAM55%), P(VBCTEAM-co-VBCHAM80%), PVBCTEAM. Το σημείο στο οποίο παρατηρείται απότομη κλίση της καμπύλης, βρίσκεται η κρίσιμη συγκέντρωση συμπλοκοποίησης. Παρατηρείται ότι για πολυμερή με μικρά ή και μηδενικά ποσοστά HAM, η κρίσιμη συγκέντρωση συμπλοκοποίησης εμφανίζεται για μεγαλύτερες συγκεντρώσεις επιφανειοδραστικής ένωσης SDS 81

84 3.10 ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΒΙΟΣΤΑΤΙΚΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ ΣΕ ΔΙΧΤΥΑ ΥΔΑΤΟΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΩΝ Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται οι προσπάθειες μελέτης της βιοστατικής δράσης των συμπολυμερών που έχουν συντεθεί στο εργαστήριο με αντικείμενο εφαρμογής δίχτυα υδατοκαλλιεργειών. Πιο συγκεκριμένα γίνεται παρασκευή διαλυμάτων των συμπολυμερών σε οργανικούς διαλύτες και συγκεκριμένες εμπορικές μήτρες με στόχο να μελετηθούν οι πιθανές ιδιότητες περιορισμού των βιοαποθέσεων (antifouling) των συμπολυμερών αυτών. Για τις επικαλύψεις των διχτυών χρησιμοποιήθηκαν γονόδιχτα (δίχτυα με μικρότερο εμβαδόν 10x20 cm 2, και μικρότερα ανοίγματα) και δίχτυα με μεγάλα ανοίγματα και μεγαλύτερο εμβαδόν (20x25 cm 2 ). Παρακάτω έχουν προστεθεί σαν παράδειγμα, φωτογραφίες μερικών διχτυών που έχουν χρησιμοποιηθεί, πριν και μετά την επικάλυψη μέσω εμβάπτισης. Τέλος να σημειωθεί ότι στον κωδικό κάθε διχτυού, ο αριθμός αντιπροσωπεύει το διάλυμα στο οποίο έγινε η εμβάπτιση, και το γράμμα που ακολουθεί αντιπροσωπεύει το εκάστοτε δίχτυ που χρησιμοποιήθηκε. Για την παρασκευή των διαλυμάτων στα οποία γίνεται η εμβάπτιση των διχτυών, χρησιμοποιήθηκαν δύο μήτρες (LAROFLEX και PORTUGUESE) οι οποίες ήταν προσφορά της εταιρίας «ΧΡΩΤΕΧ Α. Ε.» Επικάλυψη με το υλικό P(VBCHAM10%-co-VBCTEAM) με χρήση της εμπορικής μήτρας Portuguese. Για την παρασκευή του τελικού διαλύματος με στόχο την εμβάπτιση 3 μεγάλων διχτυών με κωδικό 36 α, 36 β και 36 γ, παρασκευάζονται αρχικά δύο διαλύματα και στο τέλος αναμιγνύονται. Αρχικά παρασκευάζεται διάλυμα της εμπορικής μήτρας Portuguese (3,5 g) σε διαλύτη τη μεθανόλη (50 ml). Παράλληλα παρασκευάζεται διάλυμα του συμπολυμερούς P(VBCTEAM-co-VBCHAM10%) (1,5 g) σε διαλύτη μεθανόλη (50 ml). Όταν το συμπολυμερές διαλυθεί πλήρως, αναμιγνύεται με το διάλυμα της εμπορικής μήτρας Πριν τις εμβαπτίσεις ζυγίζονται τα αρχικά βάρη των διχτυών 36 α-γ. Εκκινείται η διαδικασία των εμβαπτίσεων με τη βύθιση του διχτυού 36 α για 10 min από τη μία πλευρά και για 10 min από την άλλη πλευρά. Η ίδια διαδικασία ακολουθεί και για την εμβάπτιση και των υπολοίπων δύο διχτυών. Μετά το πέρας των εμβαπτίσεων τα τρία δίχτυα απλώνονται σε ειδικό χώρο του εργαστηρίου για μία ημέρα και στη συνέχεια τοποθετούνται σε ειδικό φούρνο για ξήρανση στους 80 ο C. Tέλος, μετράται το βάρος των διχτυών μετά την απομάκρυνση του διαλύτη και υπολογίζεται η ποσοστιαία επικάλυψή τους από το βιοστατικό υλικό. 82

85 Κωδικός διχτύου 36 α 36 β 36 γ % επικάλυψη 10,6 14,9 18, Επικάλυψη με το υλικό P(VBCHAM33%-co-VBCTEAM) με χρήση των εμπορικών μητρών Laroflex και Portuguese. Για την παρασκευή του τελικού διαλύματος με στόχο την εμβάπτιση ενός μικρού διχτυού (γονόδιχτου) με κωδικό 47, παρασκευάζονται αρχικά τρία διαλύματα και στο τέλος αναμιγνύονται. Αρχικά παρασκευάζεται διάλυμα της εμπορικής μήτρας Laroflex (3,5 g) σε οργανικό διαλύτη ΜΕΚ (40 ml). Παράλληλα παρασκευάζεται διάλυμα της εμπορικής μήτρας Portuguese (1,5 g) σε οργανικό διαλύτη ΜΕΚ (40 ml). Τέλος παρασκευάζεται διάλυμα P(VBCTEAM-co-VBCHAM33%) (1,5 g) σε διαλύτη μεθανόλη (10 ml). Όταν το συμπολυμερές διαλυθεί πλήρως, προστίθεται στο διάλυμα οργανικός διαλύτης ΜΕΚ (10 ml). Πριν την εμβάπτιση ζυγίζεται το αρχικό βάρος του διχτυού 47. Εκκινείται η διαδικασία των εμβαπτίσεων με τη βύθιση του διχτυού για 10 min από τη μία πλευρά και για 10 min από την άλλη πλευρά. Μετά το πέρας της εμβάπτισης το δίχτυ απλώνεται σε ειδικό χώρο του εργαστηρίου για μία ημέρα και στη συνέχεια τοποθετείται σε ειδικό φούρνο για ξήρανση στους 80 ο C. Tέλος μετράται το βάρος του διχτυού μετά την απομάκρυνση του διαλύτη και υπολογίζεται η ποσοστιαία επικάλυψή του από το βιοστατικό υλικό. Κωδικός διχτύου 47 % επικάλυψη 4,8 Στο διάλυμα που έχει μείνει ακόμη στο πυρίμαχο σκεύος που χρησιμοποιήθηκε για τις εμβαπτίσεις, προστίθεται ποσότητα διαλυτών ΜΕΚ/μεθανόλης αναλογίας 9/1 έως ότου φτάσει τα 50 ml συνολικού διαλύματος. Βυθίζεται και πάλι με την ίδια διαδικασία το ήδη εμβαπτισμένο δίχτυ και ανάλογα γίνεται η ξήρανσή του με τον ίδιο τρόπο. Υπολογίζεται τέλος η ποσοστιαία επικάλυψη του διχτύου από το βιοστατικό υλικό. Κωδικός διχτύου 47 % επικάλυψη 18,3 83

86 Η Εικόνα 3.3 παρουσιάζει την κατάσταση του διχτυού πριν και μετά τις εμβαπτίσεις του στο διάλυμα. Εικόνα 3.3. Φωτογραφία του διχτυού με κωδικό 47 που δείχνει την αλλαγή του χρώματός του πριν και μετά την εμβάπτιση. Ο Πίνακας 3.3. συγκεντρώνει όλες τις εμβαπτίσεις διχτυών με αυτήν την κατηγορία πολυμερικών διαλυμάτων. Πίνακας 3.3 Συγκεντρωτικός πίνακας όλων των υπό μελέτη διχτυών για τη βιοστατική τους δράση. Αριθμός Υλικό διχτυού 36 A P(VBCHAM10%- co-vbcteam) 36 B P(VBCHAM10%- co-vbcteam) 36 Γ P(VBCHAM10%- co-vbcteam) 47 P(VBCHAM33%- co-vbcteam) Συγκέντρωση % Μήτρα διαλύτης Επικάλυψη % 1,5 % 3,5 % Methanol 10,6 % Laroflex 1,5 % 3,5 % Methanol 14,9 % Laroflex 1,5 % 3,5 % Methanol 18,0 % Laroflex 1,5 % 3,5 % 90/10 18,3% Laroflex MEK/Methanol 1,5 % 84

87 Portugese 49 P(VBCHAM33%- 1 % 4 % 90/10 68 % co-vbcteam) Portugese MEK/Methanol 50 PVBCHAM100% 2 % - CHCl 3 10,3 % ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΓΙΑ ΤΗ ΒΙΟΣΤΑΤΙΚΗ ΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΣΥΝΤΕΘΙΜΕΝΩΝ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΩΝ ΚΑΙ ΕΜΒΑΠΤΙΣΜΕΝΩΝ ΔΙΧΤΥΩΝ. Για τη μελέτη της βιοστατικής δράσης των πολυμερών που έχουν συντεθεί στο εργαστήριο, έγινε έρευνα σε συνεργασία με το Τμήμα Ιατρικής του Παν/μίου Πατρών και συγκεκριμένα με τον τομέα Υγιεινής και Ασφάλειας. Τα υπό μελέτη συμπολυμερή και οι αντίστοιχοι στον Πίνακα 3.4. Πίνακας 3.4 Εξεταζόμενα συμπολυμερή σε αντιστοιχία με τους κωδικούς τους από το Τμήμα Ιατρικής και τον Τομέα Κλινικών Εργαστηρίων. Πολυμερές P(VBCHAM10%-co-VBCTEAM) P(VBCHAM5%-co-VBCTEAM) PVBCTEAM PVBCHAM100% P(VBCHAM33%-co-VBCTEAM) Κωδικός πολυμερούς Δ14 Δ15 Δ16 Δ17 Δ18 Για την μελέτη της βιοστατικής δράσης των παραπάνω συμπολυμερών από το Τμήμα Ιατρικής, αρχικά ακολουθείται μία διαδικασία παρασκευής διαλυμάτων με σκοπό την επίστρωση καλυπτρίδων. Το Πρωτόκολλο το οποίο ακολουθείται είναι συγκεκριμένο με μοναδική διαφοροποίηση την επιλογή του διαλύτη για κάθε συμπολυμερές. Αρχικά παρασκευάζονται διαλύματα συγκέντρωσης 5% w/v σε διαλύτη χλωροφόρμιο για τα συμπολυμερή με κωδικό Δ14, Δ15, Δ17 και Δ18, ενώ το συμπολυμερές με κωδικό Δ16, όντας αδιάλυτο στο συγκεκριμένο οργανικό διαλύτη, διαλύεται σε απιονισμένο 3D νερό. Να σημειωθεί ότι για τη μελέτη κάθε δείγματος διατίθενται δέκα καλυπτρίδες, οι οποίες αρχικά αποστειρώνονται με αιθανόλη (EtOH) 95%. Οι καλυπτρίδες τοποθετούνται σε γυάλινο αποστειρωμένο υπόστρωμα και στη συνέχεια προστίθενται στην επιφάνειά τους τρεις σταγόνες διαλύματος με τη χρήση πιπέτας Pasteur. Κατόπιν αφήνονται σε θερμοκρασία να στεγνώσουν. Ακολουθεί ξήρανση των καλυπτρίδων σε φούρνο υπό κενό 85

88 στους 40 ο C και στη συνέχεια τοποθετούνται σε αποστειρωμένα τριβλία ώστε να δωθούν στο Τμήμα Ιατρικής. Στον Πίνακα 3.5 παρουσιάζεται η λογαριθμική μείωση των μικροοργανισμών σε θερμοκρασία 22 ο C για 24 ώρες, για κάποια από τα βιοστατικά πολυμερικά υλικά που συντέθηκαν στο εργαστήριο. Πίνακας 3.5 Λογαριθμική μείωση των βακτηρίων σε θερμοκρασία 22 o C για 24 ώρες, για τα υλικά Δ14-Δ20. Τα αποτελέσματα έδειξαν πως : Τα υλικά Δ16 και Δ18 έδειξαν μια ικανοποιητική βιοστατική δράση για το μικροοργανισμό P. aeruginosa με log reduction >2, ενώ για το S. aureus είχαν μικρότερη βιοστατική δράση (<2). Τα υπόλοιπα υλικά του Πίνακα 3.5, Δ14, Δ15 και Δ17 είχαν πολύ μικρή έως καθόλου βιοστατική δράση και για τους δύο μικροοργανισμούς, με εξαίρεση το Δ17 ( 1,5 log reduction). Τέλος η βιοστατική δράση των εμβαπτισμένων σε συμπολυμερικά διαλύματα διχτυών ερευνήθηκε από το Α.Τ.Ε.Ι. Μεσολογγίου με τη μέθοδο της βύθισης σε ενυδρεία κα ι στη συνέχεια έγινε σύγκριση της κατάστασης στην οποία βρισκόντουσαν πριν και μετά τη βύθισή τους. Η σύγκριση αφορούσε την καθαρότητα της επιφάνειάς τους από βακτήρια και μικροοργανισμούς που είχαν προσκολληθεί την περίοδο που βρισκόντουσαν βυθισμένα. Ακολουθεί η Εικόνα 3.2 στην οποία αναπαριστάται ο τρόπος με τον οποίο ερευνάται η βιοστατική δράση του διχτυού 36 α (διάλυμα συμπολυμερούς P(VBCHAM10%-co- VBCTEAM)) από το Α.Τ.Ε.Ι. Δυτικής Ελλάδος, Τμήμα Τεχνολογίας Αλιείας- Υδατοκαλλιεργειών σε σύγκριση με ένα δίχτυ που δεν έχει εμβαπτιστεί νωρίτερα σε βιοστατικό υλικό και λειτουργεί σαν μάρτυρας, μετά από μία εβδομάδας βύθισης. Μπορούμε να παρατηρήσουμε την πολύ καλή βιοστατική δράση του βιοστατικού 86

89 πολυμερικού υλικού στο οποίο εμβαπτίστηκε το δίχτυ καθώς σε σύγκριση με το δίχτυ που λειτουργεί σα μάρτυρας η βιοσσυσώρευση στην επιφάνειά του είναι μηδενική. Εικόνα 3.2 Φωτογραφία από το Α.Τ.Ε.Ι. Μεσολογγίου του εμβαπτιμένου σε βιοστατικό υλικό διχτυού 36 α, βυθισμένου σε ενυδρείο μετά από μία εβδομάδα (αριστερά). Στα δεξιά φαίνεται μη εμβαπτισμένο σε βιοστατικό υλικό δίχτυ που λειτουργεί σα μάρτυρας ΣΥΖΗΤΗΣΗ-ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Ο σκοπός του παρόντος κεφαλαίου όπως αναφέρθηκε και εισαγωγικά ήταν η σύνθεση και η μελέτη αμφίφιλων κατιοντικών πολυμερών με βιοστατική δράση. Για το λόγο αυτό αρχικά έγινε ομοπολυμερισμός ελευθέρων ριζών του μονομερούς VBC (βινυλο βενζυλοχλωρίδιο). Στη συνέχεια έγιναν τροποποιήσεις του πολυμερούς σε διάφορα ποσοστά ΗΑΜ (δεκαεξυλαμίνη) και ολική τροποποίηση των συμπολυμερών με ΤΕΑΜ (τριαιθυλαμίνη). Ακολούθησε χαρακτηρισμός των συντεθιμένων πολυμερών και 1 συμπολυμερών με φασματοσκοπία μαγνητικού πυρηνικού συντονισμού H NMR, χρωματογραφία αποκλεισμού μεγεθών SEC και φασματοσκοπία υπερύθρού ATR-IR. Για τη φυσικοχημική μελέτη των συντεθιμένων υλικών πραγματοποιήθηκαν μελέτες ιξωδομετρίας και ιχνηθέτησης με φθορίζοντα ιχνηθέτη το Nile Red. 87

90 Τέλος έγινε μελέτη της αλληλεπίδρασης των συντεθιμένων συμπολυμερών με την ανιοντική επιφανιοδραστική ένωση SDS (δωδεκυλοθεϊκό νάτριο). Ακολούθησαν πειράματα ιξωδομετρίας, ιχνηθέτησης με Nile Red και φασματοφωτομετρίας UV-Vis. Για τη μελέτη της βιοστατικής δράσης των συντεθιμένων υλικών παρασκευάστηκαν διαλύματα των συμπολυμερών με ή χωρίς τη χρήση εμπορικών μητρών (Laroflex, Poruguese). Έγινε η εμβάπτιση διχτυών υδατοκαλλιεργειών στα διαλύματα αυτά και στη συνέχεια μελέτες της βιοστατικής δράσης από το Α.Τ.Ε.Ι. Μεσολογγίου. Τέλος έγιναν μελέτες βιοστατικής δράσης των συντεθιμένων πολυμερικών υλικών από το Τμήμα Ιατρικής. Συγκεκριμένα παρασκευάστηκαν διαλύματα των συμπολυμερών και στη συνέχεια έγινε επίστρωση ειδικών καλυπτρίδων. Ακολουθήθηκε ένα συγκεκριμένο πρωτόκολλο για την ξήρανση των καλυπτρίδων και στη συνέχεια μελετήθηκε από το Τμήμα Ιατρικής η αλληλεπίδραση των πολυμερικών υλικών με δύο τύπους βακτηρίων. Από αυτό το κεφάλαιο λοιπόν μπορούν να συνοψισθούν τα παρακάτω συμπεράσματα. 1. Το μονομερές VBC πολυμερίστηκε επιτυχώς με πολυμερισμό ελευθέρων ριζών. Το πολυμερές PVBC που συντέθηκε χαρακτηρίστηκε με φασματοσκοπία μαγνητικού πυρηνικού συντονισμού 1 H NMR και χρωματογραφία αποκλεισμού μεγεθών (SEC). Το μοριακό του βάρος Μ w είναι της τάξεως των Το πολυμερές PVBC τροποποιήθηκε επιτυχώς με δεκαεξυλαμίνη (HAM) σε διάφορα ποσοστά, δίνοντας τα συμπολυμερή P(VBC-co-VBCHAM%), όπου το x κυμαίνεται από 0 έως 80% (mol/mol). Τα συμπολυμερή χαρακτηρίστηκα με φασματοσκοπία υπερύθρου ΑΤR-IR, ενώ τα ποσοστά τροποποίησης προσδιορίστηκαν με φασματοσκοπία μαγνητικού πυρηνικού συντονισμού 1 H NMR. 3. Τα συμπολυμερή P(VBC-co-VBCHAMx%) τροποποιήθηκαν περαιτέρω μέχρι πλήρους αντίδρασης των ομάδων VBC με τριαιθυλαμίνη (ΤΕΑΜ), δίνοντας τα αντίστοιχα συμπολυμερή P(VBCHAMχ%-co-VBCTEAM). Οι τροποποιήσεις των συμπολυμερών χαρακτηρίστηκαν με φασματοσκοπία μαγνητικού συντονισμού 1 H NMR. Στην περίπτωση αυτή τα φάσματα που ελήφθησαν δεν ήταν αρκετά καθαρά και οι χαρακτηριστικές κορυφές των ΗΑΜ και ΤΕΑΜ για διαφορετικά ποσοστά τροποποιήσεων δεν ήταν ιδιαίτερα ευδιάκριτες. Τα συμπολυμερή χαρακτηρίστηκαν επιπρόσθετα με φασματοσκοπία υπερύθρου ATR-IR. 4. Για τη φυσικοχημική μελέτη των νέων πολυμερικών υλικών έγιναν μελέτες ιξωδομετρίας και ιχνηθέτσης με φθορίζοντα ιχνηθέτη το Nile Red σε υδατικό διάλυμα. Από τις τελευταίες μελέτες εκτιμήθηκε η κρίσιμη συγκέντρωση μικυλλιοποίησης των συμπολυμερών (cmc), η οποία είναι ιδιαίτερα μικρή (<0.01%(w/v)) και γενικά μειώνεται με την αύξηση του x. 5. Η μελέτη της αλληλεπίδρασης των υδατοδιαλυτών κατιοντικών συμπολυμερών με την αντίθετα φορτισμένη επιφανειοδραστική ένωση SDS πραγματοποιήθηκε με τις τεχνικές της θολομετρίας, της ιξωδομετρίας και της ιχνηθέτησης με Nile Red. 88

91 6. Για τη μελέτη της βιοστατικής δράσης των συντεθιμένων υλικών παρασκευάστηκαν διαλύματα των συμπολυμερών με ή χωρίς τη χρήση εμπορικών μητρών (Laroflex, Portguese). Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε η επικάλυψη διχτυών υδατοκαλλιέργειας με τα διαλύματα αυτά. Όλα τα δίχτυα είχαν σχετικά μεγάλα ποσοστά επικαλύψεων ( 10% ). 7. Η βιοστατική δράση ενδεικτικών διχτυών ερευνήθηκε από το Α.Τ.Ε.Ι. Μεσολογγίου, Τμήμα Τεχνολογίας Αλιείας και Υδατοκαλλιεργειών. Τα δίχτυα επέδειξαν αυξημένη βιοστατική δράση με τη μεγαλύτερη να καταγράφεται από το δίχτυ 36 α (με βιοστατικό υλικό το P(VBCHAM10%-co-VBCTEAM)). 8. Έγιναν μελέτες βιοστατικής δράσης των συντεθιμένων πολυμερικών υλικών από το Τμήμα Ιατρικής με δύο τύπους βακτηρίων. Τα υλικά P(VBCHAM33%-co-VBCTEAM) και PVBCTEAM έδειξαν μια ικανοποιητική βιοστατική δράση για το μικροοργανισμό P. aeruginosa με log reduction >2, ενώ για το S. aureus είχαν μικρότερη βιοστατική δράση (<2). Τα υπόλοιπα υλικά PVBCHAM100%, P(VBCHAM5%-co-VBCTEAM) και P(VBCHAM10%-co-VBCTEAM) είχαν πολύ μικρή έως καθόλου βιοστατική δράση και για τους δύο μικροοργανισμούς, ενώ το Δ17 (PVBCHAM100%) είχε μια ενδιάμεση συμπεριφορά ( 1,5 log reduction). 89

92 90

93 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΒΙΟΣΤΑΤΙΚΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΠΟΥ ΠΕΡΙΕΧΟΥΝ CTAB Η/ΚΑΙ ΙΟΝΤΑ Cu ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται διερεύνηση της δυνατότητας ανάπτυξης πολυμερικών υλικών τα οποία θα φέρουν εναλλακτικές βιοστατικές ενώσεις, όπως τα ιόντα του δισθενούς χαλκού, Cu 2+, αλλά και κατιοντικές επιφανειοδραστικές ενώσεις. Οι δύο αυτές κατηγορίες βιοστατικών ουσιών μπορούν να χρησιμοποιηθούν ανεξάρτητα ή σε συνδυασμό, κάνοντας πιθανή την εμφάνιση συνεργιστικών συμπεριφορών. Έτσι, στο κεφάλαιο αυτό γίνεται αναφορά στα υδατοδιαλυτά συμπολυμερή που χρησιμοποιήθηκαν για την ενσωμάτωση των βιοστατικών ομάδων, στη σύνθεση και στο χαρακτηρισμό των τελικών βιοστατικών υλικών, καθώς και στις προσπάθειες διερεύνησης της βιοστατικής δράσης, σε συνδυασμό και με τις δυνητικές πρακτικές εφαρμογές τους, όπως είναι τα δίχτυα υδατοκαλλιεργειών. Απώτερος σκοπός του παρόντος κεφαλαίου είναι να διερευνηθούν εναλλακτικοί ασθενείς (μη ομοιοπολικοί) τρόποι δέσμευσης της βιοστατικής ένωσης, ώστε αυτή να απελευθερώνεται σταδιακά όταν έρχεται σε επαφή με το θαλασσινό περιβάλλον και το πολυμερικό υλικό να καθίσταται σταδιακά υδατοδιαλυτό. Το πολυμερικά υλικά που χρησιμοποιούνται είναι συμπολυμερή P(SSNa-co-MANa) (Σχήμα 4.1) του στυρενοσουλφονικού Νατρίου (SSNa) με τη μετά Νατρίου άλατος μορφή του μηλεϊνικού οξέος (MANa). Στα συμπολυμερή αυτά η γραμμομοριακή αναλογία δομικών ομάδων SSNa/MANa είναι 1/1 ή 3/1 και θα συμβολίζονται ως P(SSNa-co-MANa)1-1 ή P(SSNa-co-MANa)3-1, αντίστοιχα. Σχήμα 4.1. Χημική δομή των συμπολυμερών P(SSNa-co-MANa). 91

94 Στα παραπάνω συμπολυμερή ενσωματώνονται βιοστατικές ομάδες τεταρτοταγούς αζώτου ή/και ιόντων δισθενούς Cu 2+. Αυτό αναπαρίσταται σχηματικά στο Σχήμα 4.2 και βασίζεται στο σχηματισμό συμπλόκων ένταξης των μεταλλοϊόντων με τις καρβοξυλομάδες του MANa (ή της ιονανταλλαγής των ιόντων Na + από τα ιόντα Cu 2+ ) και στις ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ της κατιοντικής επιφανειοδραστικής ένωσης βρωμιούχο δεκαεξυλοτριμεθυλαμμώνιο CTAB (Σχήμα 4.3, αριστερά) με τον αντίθετα φορτισμένο πολυηλεκτρολύτη. Ως αποτέλεσμα του συνδυασμού αυτού αλληλεπιδράσεων, δημιουργείται δυσδιάλυτο στο νερό ίζημα, όταν η προσθήκη της επιφανειοδραστικής ουσίας έχει σαν αποτέλεσμα να προσεγγίζουμε τη στοιχειομετρία φορτίων. Για την παρασκευή τελικών αδιάλυτων προϊόντων εκμεταλλευτήκαμε τη γνωστή ιδιότητα σχηματισμού δυσδιάλυτων στο νερό «συμπλόκων» ηλεκτροστατικής φύσης με τους αντίθετα φορτισμένους πολυηλεκτρολύτες. + Cu 2+ +CTAB CH3 CH3 SO 3 - COO N + - CH3 Cu 2+ COO - IZHMA Σχήμα4.2. Σχηματική αναπαράσταση της παρασκευής βιοστατικών υλικών με βάση τα συμπολυμερή P(SSNa-co-MANa), στα οποία έχουν ενσωματωθεί ιόντα χαλκού και το κατιόν της επιφανειοδραστικής ένωσης CTAB.. Ανάλογη ερευνητική εργασία που έχει πραγματοποιηθεί, καταδεικνύει τη βιοστατική δράση των ιδίων πολυμερικών υλικών με την ενσωμάτωση επιφανειοδραστικών ενώσεων του φωσφονίου 51 (Σχήμα 4.3, δεξιά) με ίδιο μήκος αλκυλικής αλυσίδας με τα άλατα τεταρτοταγούς αμμωνίου, οι οποίες έχουν σημαντική βιοστατική δράση. R X - P + R X - R N + R R R Αλκυλική αλυσίδα με n=8-18 Σχήμα 4.3. Γενική χημική δομή των επιφανειοδραστιών ενώσεων τύπου αμμωνίου (αριστερά) ή φωσφονίου (δεξιά). Η αριστερή ένωση είναι το CTAB, εάν n=18 και Χ - = Br -. 92

95 PSSAmC16 Control Επίσης, βιοστατική δράση έχουν δείξει συστήματα πολυμερών/επιφανειοδραστικής ένωσης όπου η κατιοντική επιφανειοδραστική ένωση (CTAB) αλληλεπιδρά ηλεκτροστατικά με τον ανιοντικό πολυηλεκτρολύτη πολυ(στυρενοσουλφονικό δεκαεξυλοτριμεθυλαμμώνιο) (PSSAmC16) 66. Στην Εικόνα 4.2 παρουσιάζονται φωτογραφίες διχτυών επικαλυμμένένων με PSSAmC16 βυθισμένων σε θαλασσινό νερό και σε νερό λίμνης. Μάρτυρας PSSAmC16 Before Salinnity Salinity Πριν τη βύθιση Θαλασσινό νερό Νερό λίμνης Immersion Fig. 3: Appearance of the control (top) and the net covered with PSSAmC16 (bottom) before immersion and after 50d under accelerated biofouling in seawater (salinity 31.7 ) or lagoon Εικόνα 4.2. Φωτογραφία των διχτυών επικαλλυμένων με PSSAmC16 (κάτω) σε σύγκριση με δίχτυα που δεν έχουν επικαλυφθεί με βιοστατικό πολυμερικό υλικό (επάνω), πριν και μετά τη βύθιση σε θαλασσινό νερό (3,17% NaCl) και νερό λίμνης (0,26% NaCl) 66. Παρατηρείται ότι μετά τη βύθιση σε θαλασσινό νερό, και το δίχτυ που λειτουργεί σα μάρτυρας αλλά και το εμβαπτισμένο σε πολυμερικό βιοστατικό δίχτυ έχουν επικαλυφθεί σχεδόν με την ίδια ποσότητα θαλάσσιων (μικρο)οργανισμών. Όταν τα δίχτυα βυθίζονται σε νερό λίμνης τότε είναι εμφανής η διαφορά μεταξύ τους διχτυών καθώς το εμβαπτισμένο δίχτυ έχει επικαλυφθεί από πολύ μικρότερη ποσότητα θαλάσσιων μικροοργανισμών. Το γεγονός αυτό μας αφήνει να καταλάβουμε ότι η μεγάλη περιεκτικότητα σε NaCl του θαλασσινού νερού κάνει το πολυμερές PSSAmC16 περισσότερο διαλυτό, αφήνοντας την επιφάνεια του διχτυού απροστάτευτη σε αντίθεση με το νερό λίμνης που έχει μικρότερη περιεκτικότητα σε NaCl. 93

96 4.2. ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΑΝΙΟΝΤΙΚΩΝ ΠΟΛΥΗΛΕΚΤΡΟΛΥΤΩΝ ΜΕ ΜΕΤΑΛΛΟΪΟΝΤΑ Μία σημαντική ιδιότητα των υδατοδιαλυτών πολυμερών είναι η δυνατότητα αλληλεπίδρασής τους με μεταλλoϊόντα, είτε αυτά είναι μονοσθενή, δισθενή ή πολυσθενή. Αλληλεπιδράσεις που συναντώνται συχνότερα είναι αυτές με τα μεταβατικά μέταλλα (μέταλλα μετάπτωσης) λόγω του μη συμπληρωμένου d υποφλοιού αυτών, που τους δίνει τη δυνατότητα δημιουργίας σταθερών συμπλόκων. Ένα από αυτά τα μέταλλα είναι ο δισθενής χαλκός. Τα συστήματα υδατοδιαλυτών πολυμερών που αλληλεπιδρούν με μεταλλοϊόντα έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον λόγω των ιδιοτήτων τους 67, των πλεονεκτημάτων τους σε σχέση με τα μη πολυμερικά σύμπλοκα μετάλλων σε μια σειρά από χημικές αντιδράσεις 39, αλλά κυρίως λόγω των εφαρμογών τους σε πολλούς τομείς της έρευνας και της τεχνολογίας ανάλογα με το είδος της αλληλεπίδρασής τους. Έτσι όταν έχουμε ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις τα συστήματα αυτά βρίσκουν εφαρμογή σε ιονοανταλλακτικές ρητίνες 40,68, οι οποίες χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία για την παραγωγή πόσιμου ύδατος ως αποτέλεσμα της ιονοανταλλακτικής τους ικανότητας 41,42,69, ή στον καθαρισμό του νερού από μόλυνση μετάλλων καθώς και στην Αναλυτική Χημεία για προσδιορισμό συγκεντρώσεων 42. Όταν η αλληλεπίδραση πολυμερών-ιόντων μετάλλων γίνεται μέσω της δημιουργίας συμπλόκων, οι δομές που δημιουργούνται παρουσιάζουν μοναδικές ιδιότητες όσον αφορά στην απορρόφηση υπεριώδους-ορατής ακτινοβολίας, στη σταθερότητα και στις ρεολογικές ιδιότητες. Το γεγονός αυτό καθιστά τα υλικά αυτά εφαρμόσιμα σε πολλούς τομείς όπως η κατάλυση 70 και η υδρομεταλλουργία 71. Τα συστήματα αυτά έχουν επίσης μεγάλη σημασία στους τομείς της ιατρικής και της βιοχημείας 72,73. Παράλληλα οι επιστήμες αυτές εκμεταλλεύονται την ιδιότητα που έχουν τα πολυμερή να σχηματίζουν πηκτώματα κατά την αλληλεπίδρασή τους με μέταλλα, αφού η διόγκωση των πηκτωμάτων πολυηλεκτρολυτών συχνά παρομοιάζεται με αντίστοιχες φυσιολογικές διαδικασίες 74. Η δυνατότητα δημιουργίας υδροπηκτωμάτων των φυσικών πολυμερών 75, μέσω αλληλεπίδρασης με ιόντα μετάλλων εφαρμόζεται στη βιοϊατρική και στη φαρμακευτική για μεταφορά φαρμάκων, ακινητοποίηση κυττάρων 76 και άλλες διαδικασίες. Ένας σημαντικός τομέας στον οποίο βρίσκουν εφαρμογή οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ ιόντων μετάλλων και θα μας απασχολήσει στο συγκεκριμένο κεφάλαιο είναι η ανάπτυξη πλέον αποδεκτών περιβαλλοντικά βιοστατικών υλικών, τα οποία θα επιβαρύνουν λιγότερο το περιβάλλον σε σχέση με προγενέστερα βιοστατικά υλικά που ήταν βασισμένα σε μέταλλα όπως ο κασσίτερος 43,77,78,79,. Καθώς ο χαλκός αποτελεί στοιχείο μετάπτωσης που απορροφά ακτινοβολία, η μελέτη των συμπλόκων με φασματομετρία υπεριώδους-ορατού (UV-Vis) μπορεί να δώσει πάρα πολλές πληροφορίες όσον αφορά το χαρακτηρισμό τους,. Για αυτό το λόγο η φασματοσκοπία UV-Vis είναι μία από τις πιο δημοφιλείς τεχνικές για το χαρακτηρισμό των σχηματιζόμενων συμπλόκων. Η ερευνητική ομάδα του Yokoi ήταν αυτή που πρώτη, το 1985, μελέτησε το φάσμα υπεριώδους-ορατού υδατικών μιγμάτων PAA με ιόνα Cu 2+ σε διάφορες τιμές ph. Διαπιστώθηκε πως το υδατικό διάλυμα PAA/Cu 2+ απορροφά σε τρεις 94

97 περιοχές: η μία στα 700 nm, η δεύτερη στα 370 nm και η τρίτη στα 260 nm. Ιδιαίτερα παρατηρήθηκε πως το μέγιστο της απορρόφησης στα 800 nm που αντιστοιχεί σε εφυδατωμένα ιόντα Cu 2+ στο υδατικό διάλυμα, εξαφανίζεται, ενώ εμφανίζεται ένα νέο μέγιστο στα 700 nm. Η κορυφή στα 700 nm αποδίδεται σε d-d μεταπτώσεις του χαλκού, ενώ ο ώμος που εμφανίζεται στα 370 nm περίπου, αποδίδεται σε σχηματισμό διπυρηνικού συμπλόκου. Η απορρόφηση των ιόντων Cu 2+ σε ένα μίγμα πολύ(ακρυλικού οξέος)/cu 2+, PAA/Cu 2+, επηρεάζεται από το βαθμό εξουδετέρωσης του πολυμερούς. Αυτό είναι φανερό στο Σχήμα 4.5, όπου παρουσιάζεται το φάσμα απορρόφησης διαλύματος PAA, για βαθμούς εξουδετέρωσης i=0-1, στο οποίο έχει προστεθεί CuSO 4 80, συγκεκριμένης συγκέντρωσης. Στο ίδιο σχήμα δίνεται επίσης το φάσμα απορρόφησης διαλύματος καθαρού CuSO 4. Όπως φαίνεται στις συνθήκες αυτές συγκεντρώσεων, το μέγιστο της απορρόφησης στο ορατό παρατηρείται σταθερό στα 710 nm, ανεξάρτητα από το βαθμό εξουδετέρωσης. Επίσης είναι φανερό πως ο συντελεστής μοριακής απορρόφησης του συμπλόκου είναι πολύ υψηλός, συγκρινόμενος με το συντελεστή μοριακής απορρόφησης των ελεύθερων ιόντων Cu 2+., αφού στη δεύτερη περίπτωση απαιτείται τετραπλάσια συγκέντρωση ιόντων Cu 2+ για να ληφθεί φάσμα συγκρίσιμης έντασης. Εξάλλου η ένταση της απορρόφησης στα 710 nm αυξάνει καθώς αυξάνει ο βαθμός εξουδετέρωσης μέχρι την τιμή i=0,5, ενώ σε μεγαλύτερους βαθμούς εξουδετέρωσης, η ένταση της απορρόφησης μειώνεται σταδιακά. Αυτή η συμπεριφορά εκφράζει την υπερίσχυση των μονοπυρηνικών συμπλόκων έναντι των διπυρηνικών με την αύξηση του βαθμού εξουδετέρωσης 81. Σχήμα 4.5. Το φάσμα απορρόφησης διαλυμάτων πολυ(ακρυλικού οξέος) (PAA), εξουδετερωμένου σε διάφορους βαθμούς εξουδετέρωσης κατά την ανάμιξή τους με Cu 2=. C Ana =20 mm, C Cu 2+ =5 mm. Με τη διακεκομμένη καμπύλη παρουσιάζεται το φάσμα απορρόφησης υδατικού διαλύματος CuSO 4 20 mm. 95

98 Όπως αναφέρθηκε, στο κεφάλαιο αυτό γίνεται παρασκευή βιοστατικών πολυμερικών υλικών του συμπολυμερούς P(SSNa-co-MANa) με επιφανειοδραστική ένωση CTAB ή/και ιόντα χαλκού Cu 2+. Για την εισαγωγή των ιόντων Cu 2+ διερευνήθηκαν δύο εναλλακτικές δυνατότητες: α) ηλεκτροστατική δέσμευση, όπου τα ιόντα Cu 2+ αποτελούν τα αντισταθμστικά ιόντα ενός ισχυρού πολυηλεκτρολύτη που φέρει σουλφονικές ομάδες όπως το στυρενοσουλφονικό νάτριο (SSNa) (Σχήμα 4.6α) και β) σχηματισμός συμπλόκων ένταξης (coordination) μεταξύ των ιόντων Cu 2+ και πολυμερών που φέρουν καρβοξυλικές ομάδες, όπως το μηλεϊνικό οξύ (ΜΑc) (Σχήμα 4.6 β). HC CH 2 CH CH 2 a SO 3 - Cu 2+ SO 3 - b Σχήμα 4.6. α) Απεικόνιση της ηλεκτροστατικής δέσμευσης των ιόντων χαλκού με τις σουλφονικές ομάδες ενός ισχυρού πολυηλεκτρολύτη και β) Απεικόνιση της συμπλοκοποίησης των ιόντων με τις καρβοξυλικές ομάδες του πολυμερούς ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΝΕΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΩΝ ΒΙΟΣΤΑΤΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Για την παρασκευή βιοστατικών πολυμερικών υλικών που έχουν σα βάση το συμπολυμερές P(SSNa-co-MANa) με επιφανειοδραστικές ενώσεις CTAB και ιόντα χαλκού Cu 2+ ακολουθείται ένα συγκεκριμένο πρωτόκολλο παρασκευής υδατικών διαλυμάτων τα οποία κατόπιν αναμιγνύονται. Σε πρώτη φάση, διαλύεται σε 3D H 2 O ποσότητα συμπολυμερούς P(SSNa-co-MANa). Επιπλέον, έχουμε στη διάθεσή μας υδατικό διάλυμα CuSO 4 το οποίο προστίθεται στο υδατικό διάλυμα του συμπολυμερούς. Τέλος, παρασκευάζεται υδατικό διάλυμα ιόντων τεταρτοταγούς αζώτου (CTAB), το οποίο προστίθεται στάγδην στο διάλυμα πολυμερούς/cu 2+ έως ότου πάψει να σχηματίζεται ίζημα. Σε τελικό στάδιο, το ίζημα παραλαμβάνεται με τη βοήθεια πορώδους ηθμού G3 μέσω της τεχνικής διηθήσεως, εκπλύνεται και ξηραίνεται. Προκειμένου να μελετηθεί η δράση αυτών των υλικών, πραγματοποιείται διάλυσή τους σε οργανικό διαλύτη και εφαρμογή τους για επιφανειακή επικάλυψη ή παρασκευή films για τη μελέτη της βιοστατικής τους αποτελεσματικότητας. 96

99 ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΙΑ/ΔΙΑΛΥΤΕΣ Τα συμπολυμερή P(SSNa-co-MANa)1-1 και P(SSNa-co-MANa)3-1, ο θειϊκός χαλκός καθώς και οι διαλύτες μεθανόλη και μεθυλαιθυλκετόνη (ΜΕΚ) ήταν προϊόντα της εταιρίας Aldrich. Υπερκαθαρό νερό αποκτήθηκε μέσω μιας συσκευής SG Waters ΕΠΙΦΑΝΕΙΟΔΡΑΣΤΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ Η επιφανειοδραστική ένωση CTAB ((1-hedadecyl)trimethyl ammonium bromide, 98%) ήταν προϊόν της εταιρίας Alfa Aesar ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΠΟΡΕΙΑ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΤΩΝ ΒΙΟΣΤΑΤΙΚΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Πειραματική πορεία παρασκευής του βιοστατικού πολυμερικού υλικού P(SSNaco-MANa)1-1/CTAB. Αρχικά παρασκευάζεται υδατικό διάλυμα CTAB συγκέντρωσης 0,1 M. Το διάλυμα αφήνεται σε ήπια ανάδευση και σε θερμοκρασία δωματίου, έως ότου αυτό διαλυθεί. Παρασκευάζεται υδατικό διάλυμα συμπολυμερούς P(SSNa-co-MANa)1-1 συγκέντρωσης 5%. Η θερμοκρασία ρυθμίζεται στους ο C. Στη συνέχεια, σε 6 ml διαλύματος προστίθεται στάγδην το υδατικό διάλυμα του CTAB, με σιφώνιο του 1 ml. Η προσθήκη συνεχίζεται στη συγκεκριμένη θερμοκρασία έως ότου πάψει να σχηματίζεται ίζημα. Σε συνολική ποσότητα 8 ml CTAB το διάλυμα θολώνει και στα 20 ml CTAB παύει πλέον να σχηματίζεται ίζημα. Για την παραλαβή του ιζήματος, γίνεται διήθηση του διαλύματος με πορώδες ηθμό G3 και συνεχείς πλύσεις με 3D H 2 O. Το στερεό που παραλαμβάνεται τοποθετείται σε τριβλίο μεγάλης επιφάνειας και στη συνέχεια ξηραίνεται στο φούρνο με υδραντλία στους 70 ο C για 5 ώρες και τέλος στο φούρνο υπό κενό στους 75 ο C για μία ολόκληρη ημέρα. Πειραματική πορεία παρασκευής του βιοστατικού πολυμερικού υλικού P(SSNa-co-MANa)3-1/CTAB/Cu 2+ 20%. Αρχικά παρασκευάζεται διάλυμα CTAB σε 3D H 2 O, συγκέντρωσης 0,5 Μ. Το διάλυμα αφήνεται σε ανάδευση και σε θερμοκρασία ο C. Για την παρασκευή υδατικού διαλύματος συμπολυμερούς P(SSNa-co-MANa)3-1/Cu 2+ 20%, 300 ml διαλύματος P(SSNaco-MANa)3-1, συγκένρωσης 5%, τοποθετούνται σε μία κωνική φιάλη των 500 ml. Στη συνέχεια προστίθεται στο διάλυμα όγκος 120 ml Cu 2+ συγκέντρωσης 0,157 Μ. Το διάλυμα αφήνεται σε ανάδευση για 1 ώρα. Αφού παραμένει σε συνεχή ανάδευση εκκινείται η 97

100 διαδικασία πρόσθεσης CTAB στάγδην, με τη χρήση σιφωνίου των 10 ml. Υπολογίζεται ότι χρειάζονται περί τα 120 ml CTAB έως ότου πάψει το διάλυμα να σχηματίζει ίζημα. Για την παραλαβή του ιζήματος που έχει δημιουργηθεί μετά και την προσθήκη των 120 ml CTAB, γίνεται διήθηση με τη χρήση πορώδους ηθμού G3 και συνεχείς πλύσεις με 3D H 2 O. Στη συνέχεια τοποθετείται το υλικό που παραλαμβάνεται σε τριβλίο μεγάλης διαμέτρου και ξηραίνεται σε φούρνο με υδραντλία στους 70 ο C για 5 ώρες. Τέλος, το υλικό εισάγεται σε φούρνο υπό κενό στους 75 ο C για μία ολόκληρη ημέρα. Με την ίδια διαδικασία παρασκευάστηκαν όλα τα πολυμερικά βιοστατικά που συνοψίζονται στον Πίνακα 4.1. Πίνακας 4.1. Συγκεντρωτικός πίνακας των πολυμερικών βιοστατικών υλικών που παρασκευάστηκαν στην παρούσα μελέτη. α/α ΒΙΟΣΤΑΤΙΚΟ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΟ ΥΛΙΚΟ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΕΣ n φορτίο n Cu2+ n CTAB (mmol) (mmol) (mmol) 1 P(SSNa-co-MANa)/CTAB P(SSNa-co-MANa)1-1 2,5-2 2 P(SSNa-co-MANa)/CTAB P(SSNa-co-MANa) P(SSNa-co-MANa)/CTAB/Cu 2+ 17% P(SSNa-co-MANa)1-1 2,5 0,43 1,2 4 P(SSNa-co-MANa)/CTAB/Cu 2+ 33% P(SSNa-co-MANa)1-1 2,5 0,83 0,5 5 P(SSNa-co-MANa)/CTAB/Cu 2+ 10% P(SSNa-co-MANa) , P(SSNa-co-MANa)/CTAB/Cu 2+ 20% P(SSNa-co-MANa) , ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ ΤΩΝ ΒΙΟΣΤΑΤΙΚΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Για τον χαρακτηρισμό των νέων βιοστατικών υλικών με τις τεχνικές UV-vis και ATR-IR χρησιμοποιήθηκαν τα όργανα που περιγράφτηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο. 98

101 absorbance (au) ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΩΝ ΒΙΟΣΤΑΤΙΚΩΝ Όπως αναφέρθηκε, το πρώτο στάδιο της παρασκευής περιλαμβάνει την ανάμιξη σε υδατικό διάλυμα των συμπολυμερών P(SSNa-co-MANa) με ιόντα Cu 2+ στην επιθυμητή αναλογία. Στη φάση αυτή δεν δημιουργείται ίζημα, καθώς τα συμπολυμερή περιέχουν σουλφονομάδες σε μεγάλα ποσοστά. Έτσι, είναι δυνατόν να μελετηθεί η τυχόν συμπλοκοποίηση μεταξύ των καρβοξυλομάδων των δομικών μονάδων MANa και των ιόντων Cu 2+ με φασματοσκοπία UV-vis. Στο Σχήμα 4.7 παρουσιάζεται ενδεικτικά το φάσμα απορρόφησης του δείγματος 5 (P(SSNa-co-MANa)/Cu 2+ 10%) στο στάδιο αυτό της παρασκευής και συγκρίνεται με το αντίστοιχο φάσμα υδατικού διαλύματος CuSO 4 σε συγκέντρωση 0,100 Μ. Στην τελευταία περίπτωση, το διάλυμα έχει το γνωστό χαρακτηριστικό μπλε χρώμα και το φάσμα απορρόφησης εμφανίζει μέγιστο στα 810 nm. Ωστόσο, παρουσία του συμπολυμερούς το μέγιστο της καμπύλης απορρόφησης έχει μετατοπιστεί σε μικρότερο μήκος κύματος, περίπου στα 750 nm. Αυτό καταδεικνύει πως τα ιόντα του δισθενούς χαλκού έχουν συμπλοκοποιηθεί σε μεγάλο βαθμό με τις καρβοξυλομάδες της δομικής μονάδας MANa του συμπολυμερούς wavelength (nm) Σχήμα 3.7. Το φάσμα απορρόφησης του υδατικού διαλύματος P(SSNa-co-MANa)3-1/Cu 2+ (κόκκινη καμπύλη) και του υδατικού διαλύματος Cu 2+ σε συγκέντρωση 0,100 Μ (μπλε καμπύλη). Για τον πληρέστερο χαρακτηρισμό όλων των υλικών που παρουσιάζονται στον Πίνακα 4.1 αξιοποιήθηκε η φασματοσκοπία ATR-IR. Στα Σχήματα 3.8 και 3.9 παρουσιάζονται τα φάσματα των υλικών με βάση τα συμπολυμερή P(SSNa-co-MANa)1-1 και P(SSNa-co- MANa)3-1, αντίστοιχα. Στα φάσματα αυτά παρατηρούνται οι ίδιες χαρακτηριστικές κορυφές, κοινές για τα συμπολυμερή P(SSNa-co-MANa)1-1 και P(SSNa-co-MANa)3-1. H 99

102 absorbance absorbance absorbance absorbance παρουσία των μονάδων SSNa επιβεβαιώθηκε από τη χαρακτηριστική κορυφή στα 1510 cm - 1, η οποία αποδίδεται στη δονητική τάση του δεσμού C=C. Οι κορυφές στα 1010 cm -1 και 1040 cm -1 οφείλονται στη συμμετρική δόνηση των μονάδων SO 3 -, ενώ η κορυφή στα 1120 cm -1 στην ασύμμετρη δόνηση των μονάδων SO 3 -. Οι κορυφές απορρόφησης στα 910 cm -1, 935 cm -1 και στα 966 cm -1 αποδίδονται στις χαρακτηριστικές ομάδες του CTAB. Επιπλέον οι κορυφές απορρόφησης στα 2920 cm -1 και 2848 cm -1 αποδίδονται αντίστοιχα στη συμμετρική και ασύμμετρη δονητική έκταση των δεσμών CH 2 των υδρογονανθρακικών ομάδων του CTAB. Η ύπαρξη της δομικής μονάδας ΜΑΝa επιβεβαιώνεται από τις κορυφές στα 1575 cm -1 και στα 1207 cm -1 που οφείλονται αντίστοιχα στο δεσμό C=O και C-O. P(SSNa-co-MANa)1-1/CTAB P(SSNa-co-MANa)1-1/CTAB/Cu 2+ 17% P(SSNa-co-MANa)1-1/CTAB/Cu 2+ 33% P(SSNa-co-MANa)1-1 P(SSNa-co-MANa)1-1/CTAB P(SSNa-co-MANa)1-1/CTAB/Cu 2+ 17% P(SSNa-co-MANa)1-1/CTAB/Cu 2+ 33% P(SSNa-co-MANa) wavenumber 1/cm wavenumber 1/cm Σχήμα 3.8. Φάσματα ATR-IR των υλικών με βάση το συμπολυμερές P(SSNa-co-MANa)1-1 (αριστερά) και μεγέθυνση της περιοχής έως τα 2000 cm -1 (δεξιά). P(SSNa-co-MANa)3-1/CTAB P(SSNa-co-MANa)3-1/CTAB/Cu 2+ 10% P(SSNa-co-MANa)3-1/CTAB/Cu 2+ 20% P(SSNa-co-MANa)3-1 P(SSNa-co-MANa)3-1/CTAB P(SSNa-co-MANa)3-1/CTAB/Cu 2+ 10% P(SSNa-co-MANa)3-1/CTAB/Cu 2+ 20% P(SSNa-co-MANa) wavenumber 1/cm wavenumber 1/cm Σχήμα 3.9. Φάσματα ATR-IR των υλικών με βάση το συμπολυμερές P(SSNa-co-MANa)3-1 (αριστερά) και μεγέθυνση της περιοχής έως τα 2000 cm -1 (δεξιά). 100

103 4.4. ΠΡΑΚΤΙΚΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΝΕΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΗΣ ΒΙΟΣΤΑΤΙΚΗΣ ΤΟΥΣ ΔΡΑΣΗΣ Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται πρακτική εφαρμογή των συμπολυμερών που έχουν συντεθεί σε δίχτυα υδατοκαλλιεργειών, με στόχο τη διερεύνηση της βιοστατικής τους δράσης. Πιο συγκεκριμένα, τα υλικά που έχουν παρασκευαστεί στην προηγούμενη ενότητα διαλύονται σε διάφορους οργανικούς διαλύτες, ενδεχομένως παρουσία κάποιας μήτρας. Η επιλογή της μήτρας έγινε σε συνεργασία με την εταιρία ΧΡΩΤΕΧ Α.Ε. Έτσι, για τις περισσότερες εφαρμογές ως μήτρα χρησιμοποιήθηκε μίγμα των εμπορικών υλικών Laroflex και Portuguese, τα οποία έχουν πιθανότητα χρήσης σε υφαλοχρώματα. Στη συνέχεια, δίχτυα υδατοκαλλιεργειών εμβαπτίζονται στα παραπάνω διαλύματα έως ότου επικαλυφθούν με σημαντικό ποσοστό πολυμερικού υλικού. Τα επικαλυμμένα αυτά δίχτυα μελετώνται ακολούθως σε πραγματικό θαλάσσιο περιβάλλον από την εταιρία SELODA Α. Ε. ή σε επιταχυνόμενες συνθήκες βιοσυσσώρευσης σε ενυδρεία από το Τμήμα Υδατοκαλλιεργειών και αλιευτικής διαχείρισης του Α. Τ. Ε. Ι. Δυτικής Ελλάδος. Ακολουθούν αναλυτικά τα πειραματικά πρωτόκολλα που εφαρμόστηκαν για την επικάλυψη των διχτυών. Για τις εμβαπτίσεις των διχτυών χρησιμοποιήθηκαν γονόδιχτα (δίχτυα με μικρότερο εμβαδόν 10x20 cm 2, και μικρότερα ανοίγματα) και μεγάλα δίχτυα (με μεγάλα ανοίγματα και μεγαλύτερο εμβαδόν 20x25 cm 2 ). Να σημειωθεί ότι σε διαλύματα που χρησιμοποιήθηκε ο χαλκός, αποφύγαμε να χρησιμοποιήσουμε γονόδιχτα, γιατί είναι κρίνεται περιβαλλοντικά και οικολογικά επικίνδυνος για τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Τέλος, να σημειώσουμε ότι στον κωδικό κάθε διχτυού, ο αριθμός αντιπροσωπεύει το διάλυμα στο οποίο έγινε η εμβάπτιση, και το γράμμα που ακολουθεί αντιπροσωπεύει το εκάστοτε δίχτυ που χρησιμοποιήθηκε ΕΠΙΚΑΛΥΨΗ ΔΙΧΤΥΩΝ 1. Επικάλυψη με το υλικό P(SSNa-co-MANa)3-1/Cu 2+ 20%/CTAB χρησιμοποιώντας τις μήτρες Laroflex και Portuguese. Για την παρασκευή του τελικού διαλύματος με στόχο την εμβάπτιση 3 μεγάλων διχτυών με κωδικό 32 α, 32 β και 32 γ, παρασκευάστηκαν αρχικά 3 διαφορετικά διαλύματα, τα οποία στο τέλος αναμείχθηκαν : Αρχικά, παρασκευάζεται διάλυμα της εμπορικής μήτρας Laroflex (7 g ) σε οργανικό διαλύτη MEK (40 ml). Το διάλυμα αφήνεται σε ήπια ανάδευση μέχρι την πλήρη διάλυση της μήτρας Laroflex. Στη συνέχεια, παρασκευάζεται διάλυμα της εμπορικής μήτρας Portuguese (3 g) σε οργανικό διαλύτη MEK (40 ml). Το διάλυμα αφήνεται σε ήπια ανάδευση μέχρι την πλήρη ομογενοποίησή του. Τέλος, παρασκευάζεται διάλυμα του υλικού P(SSNa-co- MANa)3-1/Cu 2+ 20%/CTAB (3 g) σε 10 ml μεθανόλης. Όταν το πολυμερές διαλυθεί, 101

104 προστίθενται 10 ml ΜΕΚ. Για την παρασκευή του τελικού διαλύματος εμβάπτισης, κατ αρχήν αναμιγνύονται τα δύο διαλύματα των εμπορικών μητρών και σε αυτό προστίθεται στάγδην το διάλυμα του πολυμερικού βιοστατικού. Πριν τις εμβαπτίσεις ζυγίζονται τα αρχικά βάρη των διχτύων 32 α, 32 β και 32 γ. Εκκινείται η διαδικασία των εμβαπτίσεων με τη βύθιση του διχτυού 32 α για 10 min από τη μία πλευρά και για 10 min από την άλλη πλευρά. Παρατηρώντας τον μειωμένο όγκο του διαλύματος, ο οποίος έχει «απορροφηθεί» από το δίχτυ, συμπληρώνεται το αρχικό διάλυμα με τον απαραίτητο όγκο μίγματος ΜΕΚ/μεθανόλης αναλογίας 9/1, ώστε να έχουμε πάλι 100 ml διαλύματος. Στη συνέχεια γίνεται η ίδια διαδικασία αντίστοιχα για τα δίχτυα 32 β και 32 γ. Μετά το πέρας των εμβαπτίσεων τα δίχτυα απλώνονται σε ειδικό χώρο του εργαστηρίου για μία ημέρα και στη συνέχεια τοποθετούνται σε φούρνο για ξήρανση στους 80 C για ακόμη μία ημέρα. Τέλος μετράται το βάρος των διχτυών μετά την απομάκρυνση του διαλύτη και υπολογίζεται η ποσοστιαία επικάλυψή τους από το βιοστατικό υλικό. Κωδικός διχτύου 32 α 32 β 32 γ % επικάλυψη Ακολουθούν φωτογραφίες των διχτυών πριν και μετά την εμβάπτιση (Εικόνα 4.1.). 32α 32 β 32 γ Εικόνα 4.1. Φωτογραφία των διχτυών με κωδικό 32α, 32β και 32γ πριν (φωτογραφίες επάνω) και μετά (φωτογραφίες κάτω) την επικάλυψή τους. 102

105 2. Επικάλυψη με το υλικό P(SSNa-co-MANa)3-1/Cu 2+ 20%/CTAB χρησιμοποιώντας τη μήτρα Portugese. Για την παρασκευή του τελικού διαλύματος με στόχο την εμβάπτιση 3 μεγάλων διχτυών με κωδικό 33 α, 33 β και 33 γ, παρασκευάζονται αρχικά 2 διαλύματα και στο τέλος τα αναμειγνύονται. Αρχικά, παρασκευάζεται διάλυμα τη εμπορικής μήτρας Portuguese (10 g) σε διαλύτη ΜΕΚ (80 ml). Σε μια δεύτερη κωνική φιάλη παρασκευάζεται διάλυμα του υλικού P(SSNa-co-MANa)3-1/Cu 2+ 20%/CTAB (3 g) σε 10 ml μεθανόλης. Όταν παρατηρηθεί ότι το υλικό αυτό έχει διαλυθεί πλήρως, προστίθενται 10 ml ΜΕΚ. Τέλος, τα δύο διαλύματα αναμιγνύονται υπό ήπια ανάδευση. Πριν την εκκίνηση των εμβαπτίσεων των διχτυών, ζυγίζονται τα αρχικά βάρη τους. Γίνεται απόχυση του τελικού διαλύματος σε πυρίμαχο σκεύος μεγάλης επιφάνειας και βάθους και εμβαπτίζονται σταδιακά τα δίχτυα 33 α, 33 β και 33 γ. Αρχικά βυθίζεται το δίχτυ 33 α από τη μία πλευρά για 10 min και στη συνέχεια για 10 min από την άλλη πλευρά. Ακολουθείται η ίδια διαδικασία και για τα επόμενα δύο δίχτυα. Μετά το πέρας των εμβαπτίσεων, τα τρία δίχτυα απλώνονται σε ειδικό χώρο του εργαστηρίου και σε θερμοκρασία περιβάλλοντος για μία ημέρα. Στη συνέχεια τοποθετούνται σε φούρνο στους 80 C. Τέλος, μετά την απομάκρυνση του διαλύτη, τα δίχτυα ζυγίζονται και υπολογίζεται η ποσοστιαία επικάλυψή τους από το βιοστατικό υλικό. Κωδικός διχτύου 33 α 33 β 33 γ % επικάλυψη

106 Ακολουθούν φωτογραφίες των διχτυών πριν και μετά την εμβάπτιση (Εικόνα 4.2.). 33α 33 β 33 γ Εικόνα 4.2. Φωτογραφίες των διχτυών με κωδικό 33 α, 33β και 33γ πριν (φωτογραφίες επάνω) και μετά (φωτογραφίες κάτω) την επικάλυψή τους. 1. Επικάλυψη με το υλικό P(SSNa-co-MANa)3-1/Cu 2+ 10%/CTAB χρησιμοποιώντας τις μήτρες Laroflex και Portuguese. Για την παρασκευή του τελικού διαλύματος με στόχο την εμβάπτιση 3 μεγάλων διχτυών με κωδικό 34 α, 34 β και 34 γ, παρασκευάζονται αρχικά 3 διαλύματα και στο τέλος αναμειγνύονται. Αρχικά, σε κωνική φιάλη των 100 ml ζυγίζονται 3,5 g εμπορικής μήτρας Laroflex και διαλύονται σε 40 ml ΜΕΚ. Παράλληλα, 1,5 g εμπορικής μήτρας Portuguese διαλύονται σε 40 ml MEK. Τέλος, 10 g του υλικού P(SSNa-co-MANa)3-1/Cu 2+ 10%/CTAB διαλύονται σε 10 ml μεθανόλης. Αφού το υλικό διαλυθεί πλήρως, προστίθενται 10 ml ΜΕΚ και αφήνεται το διάλυμα σε ανάδευση. Για την παρασκευή του τελικού διαλύματος εμβάπτισης, κατ αρχήν αναμιγνύονται τα δύο διαλύματα των εμπορικών μητρών και σε αυτό προστίθεται στάγδην το διάλυμα του πολυμερικού βιοστατικού. Για την εκκίνηση των εμβαπτίσεων χρησιμοποιείται ένα πυρίμαχο σκεύος μεγάλης επιφάνειας και βάθους, στο οποίο γίνεται απόχυση του τελικού διαλύματός μας. Ζυγίζονται τα αρχικά βάρη των διχτύων 34 α, 34 β και 34 γ και στη συνέχεια βυθίζεται το πρώτο δίχτυ 34 α από τη μία πλευρά για 10 min. Ακολούθως βυθίζεται το ίδιο δίχτυ από την άλλη πλευρά για άλλα 10 min. Ανάλογη διαδικασία ακολουθεί και για τα άλλα δύο δίχτυα. Μετά το πέρας των εμβαπτίσεων, τα τρία δίχτυα απλώνονται σε ειδικό χώρο του εργαστηρίου και σε θερμοκρασία περιβάλλοντος για μία ημέρα. Στη συνέχεια τοποθετούνται σε ειδικό 104

107 φούρνο στους 80 C. Τέλος, μετά την απομάκρυνση του διαλύτη, γίνεται ζύγιση των διχτυών και υπολογίζεται η ποσοστιαία επικάλυψή τους από το βιοστατικό υλικό. Κωδικός διχτύου 34 α 34 β 34 γ % επικάλυψη Επικάλυψη με το υλικό P(SSNa-co-MANa)3-1/CTAB με χρήση των μητρών Laroflex και Portuguese. Για την παρασκευή του τελικού διαλύματος με στόχο την εμβάπτιση 3 μικρών διχτυών (γονόδιχτα) με κωδικό 35 α, 35 β και 35 γ, παρασκευάζονται αρχικά 3 διαλύματα και στο τέλος αναμειγνύονται. Αρχικά παρασκευάζεται διάλυμα της εμπορικής μήτρας Laroflex (3 g) σε οργανικό διαλύτη MEK (40 ml). Παράλληλα, παρασκευάζεται διάλυμα της εμπορικής μήτρας Portuguese (1.3 g) σε οργανικό διαλύτη MEK (40 ml). Τέλος, παρασκευάζεται διάλυμα του υλικού P(SSNa-co-MANa)3-1/CTAB (1,3 g) σε 10 ml μεθανόλης. Όταν το υλικό διαλυθεί πλήρως, προστίθενται 10 ml ΜΕΚ. Για την παρασκευή του τελικού διαλύματος εμβάπτισης, κατ αρχήν αναμιγνύονται τα δύο διαλύματα των εμπορικών μητρών και σε αυτό προστίθεται στάγδην το διάλυμα του πολυμερικού βιοστατικού. Πριν τις εμβαπτίσεις ζυγίζονται τα αρχικα βάρη των διχτύων 35 α, 35 β και 35 γ. Εκκινείται η διαδικασία των εμβαπτίσεων με τη βύθιση του διχτυού 35 α για 10 min από τη μία πλευρά και για 10 min από την άλλη πλευρά. Πράττεται αντίστοιχα στη συνέχεια για τα δίχτυα 35 β και 35 γ. Μετά το πέρας των εμβαπτίσεων τα δίχτυα απλώνονται σε ειδικό χώρο του εργαστηρίου για μία ημέρα και στη συνέχεια τα τοποθετούνται σε ειδικό φούρνο για ξήρανση στους 80 C για ακόμη μία ημέρα. Τέλος μετράται το βάρος των διχτυών μετά την απομάκρυνση του διαλύτη και υπολογίζεται η ποσοστιαία επικάλυψή τους από το βιοστατικό υλικό. Κωδικός διχτύου 35 α 35 β 35 γ % επικάλυψη 2,7 3,0 2,9 3. Επικάλυψη με το υλικό P(SSNa-co-MANa)1-1/CTAB με χρήση των μητρών Laroflex και Portuguese. Για την παρασκευή του τελικού διαλύματος με στόχο την εμβάπτιση 3 μικρών διχτυών (γονόδιχτα) με κωδικό 40 α, 40 β και 40 γ, παρασκευάζονται αρχικά 3 διαλύματα και στο τέλος αναμειγνύονται. Αρχικά παρασκευάζεται διάλυμα της εμπορικής μήτρας Laroflex (7 g) σε οργανικό διαλύτη MEK (40 ml). Παράλληλα παρασκευάζεται διάλυμα της εμπορικής μήτρας Portuguese (3 g) σε οργανικό διαλύτη ΜΕΚ (40 ml). Τέλος παρασκευάζεται διάλυμα 105

108 υλικού P(SSNa-co-MANa)1-1/CTAB (3 g) σε 10 ml μεθανόλης. Όταν το υλικό διαλυθεί πλήρως, προστίθενται 10 ml MEK. Για την παρασκευή του τελικού διαλύματος εμβάπτισης, κατ αρχήν αναμιγνύονται τα δύο διαλύματα των εμπορικών μητρών και σε αυτό προστίθεται στάγδην το διάλυμα του πολυμερικού βιοστατικού. Πριν τις εμβαπτίσεις ζυγίζονται τα αρχικα βάρη των διχτύων 40 α, 40 β και 40 γ. Εκκινείται η διαδικασία των εμβαπτίσεων με τη βύθιση του διχτυού 40 α για 10 min από τη μία πλευρά και για 10 min από την άλλη πλευρά. Πράττεται αντίστοιχα στη συνέχεια για τα δίχτυα 40 β και 40 γ. Μετά το πέρας των εμβαπτίσεων τα δίχτυα απλώνονται σε ειδικό χώρο του εργαστηρίου για μία ημέρα και στη συνέχεια τα τοποθετούνται σε ειδικό φούρνο για ξήρανση στους 80 C για ακόμη μία ημέρα. Τέλος μετράται το βάρος των διχτυών μετά την απομάκρυνση του διαλύτη και υπολογίζεται η ποσοστιαία επικάλυψή τους από το βιοστατικό υλικό. Κωδικός διχτύου 40 α 40 β 40 γ % επικάλυψη 7, Επικάλυψη με το υλικό P(SSNa-co-MANa)3-1/Cu 2+ 10%/CTAB με χρήση των εμπορικών μητρών Laroflex και Portuguese. Για την παρασκευή του τελικού διαλύματος με στόχο την εμβάπτιση 6 μεγάλων διχτυών με κωδικό 43 α, 43 β, 43 γ, 43 δ, 43 ε και 43 στ παρασκευάζονται αρχικά 3 διαλύματα και στο τέλος αναμειγνύονται. Αρχικά παρασκευάζεται διάλυμα της εμπορικής μήτρας Laroflex (14 g) σε οργανικό διαλύτη MEK (80 ml). Παράλληλα παρασκευάζεται διάλυμα της εμπορικής μήτρας Portuguese (6 g) σε οργανικό διαλύτη ΜΕΚ (80 ml). Τέλος παρασκευάζεται διάλυμα υλικού P(SSNa-co-MANa)3-1/Cu 2+ 10%/CTAB (6 g) σε 20 ml μεθανόλης. Όταν το υλικό διαλυθεί πλήρως, προστίθενται 20 ml MEK. Για την παρασκευή του τελικού διαλύματος εμβάπτισης, κατ αρχήν αναμιγνύονται τα δύο διαλύματα των εμπορικών μητρών και σε αυτό προστίθεται στάγδην το διάλυμα του πολυμερικού βιοστατικού. Πριν τις εμβαπτίσεις ζυγίζονται τα αρχικά βάρη των διχτυών 43 α-στ. Εκκινείται η διαδικασία των εμβαπτίσεων με τη βύθιση του διχτυού 43 α για 10 min από τη μία πλευρά και για 10 min από την άλλη πλευρά. Ακολουθεί αντίστοιχα η ίδια διαδικασία για τα δίχτυα 43 β-στ. Μετά το πέρας των εμβαπτίσεων τα δίχτυα απλώνονται σε ειδικό χώρο του εργαστηρίου για μία ημέρα και στη συνέχεια τοποθετούνται σε ειδικό φούρνο για ξήρανση στους 80 C για ακόμη μία ημέρα. Τέλος μετράται το βάρος των διχτυών μετά την απομάκρυνση του διαλύτη και υπολογίζεται η ποσοστιαία επικάλυψή τους από το βιοστατικό υλικό 106

109 Κωδικός διχτύου % επικάλυψη 43 α 43 β 43 γ 43 δ 43 ε 43 στ Στην κατοχή μας υπάρχει ένα διάλυμα μητρών από την εταιρία «ΧΡΩΤΕΧ Α. Ε.», το οποίο χρησιμοποιείται για την επιπρόσθετη εμβάπτιση των διχτύων 43 α και 43 δ. Το διάλυμα αυτό με κωδική ονομασία Διάλυμα Νο. 3 αποτελείται αναλυτικά από: LAROFLEX MP 25: 28,4 % LUTONAL A 25: 3 % ACRONAL LR ,6 % XYLOL: 24 % SOLVENT NAPHTHA (PETROLEUM) LIGHT AROMATIC: 24 % N-BUTYL ACETATE: 19 % Το Διάλυμα Νο. 3 είναι πολύ ιξώδες και αραιώνεται με διαλύτη Τολουολίου. Παρασκευάζεται διάλυμα Διάλυμα Νο. 3 (20 ml) σε Τολουόλιο (80 ml. Η εμβάπτιση των δθχτυών με κωδικό 43 α,δ γίνεται με την ίδια διαδικασία που έγιναν και οι προηγούμενες εμβαπτίσεις. Τα δίχτυα απλώνονται για ξήρανση σε ειδικό χώρο του εργαστηρίου για μία ημέρα και στη συνέχεια τα εισάγωνται σε ειδικό φούρνο σε θερμοκρασία 80 C για ακόμα μία ημέρα. Τέλος τα 2 δίχτυα εξάγονται από το φούρνο και ζυγίζεται το βάρος τους. Κατόπιν υπολογίζεται η συνολική ποσοστιαία επικάλυψή τους. Κωδικός διχτύου % 1 ης επικάλυψης % 2 ης επικάλυψης 43 α 43 β 43 γ 43 δ 43 ε 43 στ Επικάλυψη με το υλικό P(SSNa-co-MANa)1-1/CTAB με χρήση των εμπορικών μητρών Laroflex και Portuguese. Για την παρασκευή του τελικού διαλύματος με στόχο την εμβάπτιση 6 μικρών διχτυών με κωδικό 44 α, 44 β, 44 γ, 44 δ, 44 ε και 44 στ παρασκευάζονται αρχικά 3 διαλύματα και στο τέλος αναμειγνύονται. Αρχικά παρασκευάζεται διάλυμα της εμπορικής μήτρας Laroflex (10,5 g) σε οργανικό διαλύτη MEK (60 ml). Παράλληλα παρασκευάζεται διάλυμα της εμπορικής μήτρας Portuguese (4,5 g) σε οργανικό διαλύτη ΜΕΚ (60 ml). Τέλος 107

110 παρασκευάζεται διάλυμα υλικού P(SSNa-co-MANa)1-1/CTAB (6 g) σε 60 ml μεθανόλης. Όταν το υλικό διαλυθεί πλήρως, προστίθενται 20 ml MEK. Όταν το διάλυμα γίνει ομογενές, προστίθενται 15 ml ΜΕΚ. Για την παρασκευή του τελικού διαλύματος εμβάπτισης, κατ αρχήν αναμιγνύονται τα δύο διαλύματα των εμπορικών μητρών και σε αυτό προστίθεται στάγδην το διάλυμα του πολυμερικού βιοστατικού. Πριν τις εμβαπτίσεις ζυγίζονται τα αρχικά βάρη των διχτυών 44 α-στ. Εκκινείται η διαδικασία των εμβαπτίσεων με τη βύθιση του διχτυού 44 α για 10 min από τη μία πλευρά και για 10 min από την άλλη πλευρά. Ακολουθεί αντίστοιχα η ίδια διαδικασία για τα δίχτυα 44 β-ε. το δίχτυ με κωδικό 44 στ αφήνεται βυθισμένο για μία ολόκληρη ημέρα στο διάλυμα. Μετά το πέρας των εμβαπτίσεων τα δίχτυα απλώνονται σε ειδικό χώρο του εργαστηρίου για μία ημέρα και στη συνέχεια τοποθετούνται σε ειδικό φούρνο για ξήρανση στους 80 C για ακόμη μία ημέρα. Τέλος μετράται το βάρος των διχτυών μετά την απομάκρυνση του διαλύτη και υπολογίζεται η ποσοστιαία επικάλυψή τους από το βιοστατικό υλικό. Κωδικός διχτύου % επικάλυψη 44 α 44 β 44 γ 44 δ 44 ε 44 στ 11,6 12,6 13,5 14, Το διάλυμα μητρών από την εταιρία «ΧΡΩΤΕΧ Α. Ε.», το οποίο χρησιμοποιήθηκε και νωρίτερα, χρησιμποποιείται και πάλι για την επιπρόσθετη εμβάπτιση των διχτύων 44 α και 44 γ. Το διάλυμα αυτό με κωδική ονομασία Διάλυμα Νο. 3 αποτελείται αναλυτικά από: LAROFLEX MP 25: 28,4 % LUTONAL A 25: 3 % ACRONAL LR ,6 % XYLOL: 24 % SOLVENT NAPHTHA (PETROLEUM) LIGHT AROMATIC: 24 % N-BUTYL ACETATE: 19 % Το Διάλυμα Νο. 3 είναι πολύ ιξώδες και αραιώνεται με διαλύτη τολουολίου. Παρασκευάζεται διάλυμα Διάλυμα Νο. 3 (20 ml) σε τολουόλιο (80 ml). Η εμβάπτιση των διχτυών με κωδικό 44 α,γ γίνεται με την ίδια διαδικασία που έγιναν και οι προηγούμενες εμβαπτίσεις. Τα δίχτυα απλώνονται για ξήρανση σε ειδικό χώρο του εργαστηρίου για μία ημέρα και στη συνέχεια εισάγονται σε ειδικό φούρνο σε θερμοκρασία 80 C για ακόμα μία ημέρα. Τέλος τα 2 δίχτυα εξάγονται από το φούρνο και ζυγίζεται το βάρος τους. Κατόπιν υπολογίζεται η συνολική ποσοστιαία επικάλυψή τους. 108

111 Κωδικός διχτύου % επικάλυψη 1 ης εμβάπτισης % επικάλυψη 2 ης εμβάπτισης 44 α 44 β 44 γ 44 δ 44 ε 44 στ 11.,6 12,6 13,5 14, ,1-16, Επικάλυψη με το συμπολυμερές του πολυ(ακρυλικού οξέος) με το πολυ(βινυλοβενζυλο χλωρίδιο) P(AA 12 -co-vbcham) σε οργανικό διαλύτη DMA, συγκέντρωσης 4%, w/v. Για την παρασκευή του τελικού διαλύματος με στόχο την εμβάπτιση 2 μεγάλων διχτυών με κωδικό 29 α και 29 β, παρασκευάζεται διάλυμα συμπολυμερούς ακρυλικού οξέος και βινυλοβενζυλο χλωριδίου (P(AA 12 -co-vbcham)) (4 g) σε οργανικό διαλύτη DMA (100 ml). Μετά τη διάλυση του υλικού, το διάλυμα παραμένει θολό. Για το λόγο αυτό το διάλυμα τοποθετείται σε πυρίμαχο σκεύος μεγάλης επιφάνειας και βάθους και εισάγεται σε φούρνο σε θερμοκρασία 80 o C ώστε να διαυγάσει. Οι εμβαπτίσεις των δύο διχτυών γίνονται σε αυτήν τη θερμοκρασία. Πριν τη διαδικασία εμβαπτίσης ζυγίζονται τα αρχικα βάρη των διχτύων 29 α και 29 β. Εκκινείται η διαδικασία των εμβαπτίσεων με τη βύθιση του διχτυού 29 α για 10 min από τη μία πλευρά και για 10 min από την άλλη πλευρά. Πράττεται αντίστοιχα στη συνέχεια για τα δίχτυα 29 β και 29 γ. Μετά το πέρας των εμβαπτίσεων τα δίχτυα απλώνονται σε ειδικό χώρο του εργαστηρίου για μία ημέρα και στη συνέχεια τοποθετούνται σε ειδικό φούρνο για ξήρανση στους 110 C για ακόμη μία ημέρα. Τέλος μετράται το βάρος των διχτυών μετά την απομάκρυνση του διαλύτη και υπολογίζεται η ποσοστιαία επικάλυψή τους από το βιοστατικό υλικό. Ακολουθεί πίνακας με την % επικάλυψη των διχτυών. Κωδικός διχτύου 29α 29β % επικάλυψη 5,6 4,7 109

112 Μετά το πέρας των εμβαπτίσεων των διχτυών της σειράς 29, στο διάλυμα που έχει απομείνει (P(AA 12 -co-vbcham) σε διαλύτη DMA), προστίθεται επιπλέον ποσότητα DMA, έως ότου το διάλυμα φτάσει στον αρχικό του όγκο (100 ml). Στη συνέχεια προστίθεται στο διάλυμα ποσότητα formic acid (1 ml), ώστε να διαυγάσει. Για τη μελέτη του εν λόγω βιοστατικού υλικού, επιλέγονται δύο μεγάλα δίχτυα με κωδικό 30 α και 30 β. Για την εμβάπτιση των δύο διχτυών αρχικά ζυγίζεται το βάρος του. Στη συνέχεια ο δίχτυ 30 α βυθίζεται στο διάλυμα για 10 min από τη μία πλευρά και στη συνέχεια βυθίζεται από την άλλη πλευρά για άλλα 10 min. Στο ίδιο διάλυμα πράττεται ανάλογη διαδικασία και για το δίχτυ 30 β. Μετά το πέρας των εμβαπτίσεων τα δίχτυα απλώνονται σε ειδικό χώρο του εργαστηρίου για μία ημέρα και στη συνέχεια τα τοποθετούνται σε ειδικό φούρνο για ξήρανση στους 110 C για ακόμη μία ημέρα. Τέλος μετράται το βάρος των διχτυών μετά την απομάκρυνση του διαλύτη και υπολογίζεται η ποσοστιαία επικάλυψή τους από το βιοστατικό υλικό. Κωδικός διχτύου 30 α 30 β % επικάλυψη 3,6 3, ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΗΣ ΒΙΟΣΤΑΤΙΚΗΣ ΔΡΑΣΗΣ ΤΩΝ ΝΕΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΚΑΙ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ ΕΠΙΚΑΛΥΜΜΕΝΩΝ ΔΙΧΤΥΩΝ ΣΤΟΝ ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟ ΤΗΣ ΒΙΟΣΥΣΣΩΡΕΥΣΗΣ Η εκτίμηση της βιοστατικής δράσης των νέων υλικών που αναφέρονται στον Πίνακα 4.1 έγινε σε συνεργασία με το Τμήμα Ιατρικής του Παν/μίου Πατρών και συγκεκριμένα με τον τομέα «Κλινικών εργαστηρίων». Έτσι, μελετήθηκαν ενδεικτικά δύο από τα παραπάνω υλικά. Η κωδικοποίησή τους παρουσιάζεται στον Πίνακα 4.2. Πίνακας 4.2. Κωδικοποίηση των υλικών, των οποίων μελετήθηκε η βιοστατική δράση. Βιοστατικό υλικό P(SSNa-co-MANa)3-1/Cu 2+ 20%/CTAB P(SSNa-co-MANa)3-1/Cu 2+ 10%/CTAB Κωδικός Δ19 Δ20 110

113 Για τη μελέτη της βιοστατικής δράσης του συμπολυμερούς P(SSNa-co-MANa)3-1/ Cu 2+ 20%/CTAB (Δ19) παρασκευάζονται 3 διαλύματα με στόχο την τελική ανάμειξή τους σε ένα τελικό διάλυμα που ακολουθεί το πρωτόκολλο των διαλυμάτων που εμβαπτίστηκαν τα δίχτυα. Να σημειωθεί ότι το film που παρασκευάστηκε με κωδικό Δ19, ακολούθησε το ίδιο πρωτόκολλο παρασκευής με αυτό του διαλύματος εμβάπτισης των διχτυών με κωδικό 33. Το τελικό διάλυμα αποχύνεται σε τριβλίο και αφήνεται σε θερμοκρασία δωματίου για μία ημέρα έως ότου εξατμιστεί το μεγαλύτερος μέρος του διαλύτη. Την επόμενη ημέρα το τριβλίο εισάγεται σε φούρνο για μία ώρα σε θερμοκρασία 40 o C και στη συνέχεια σε θερμοκρασία o C για 5 ώρες, μέχρι πλήρους εξάτμισης του διαλύτη. Αντίστοιχη ήταν και η διαδικασία για την αρασκευή φιλμ του υλικού P(SSNa-co- MANa)3-1/ Cu 2+ 10%/CTAB (Δ20), όπου το πρωτόκολλο παρασκευής του τελικού διαλύματος που ακολουθήθηκε ήταν ίδιο με αυτό του διαλύματος εμβάπτισης των διχτυών με κωδικό 43. Τα τριβλία παραδίδονται στο Τμήμα Ιατρικής ώστε να μελετηθεί η βιοστατική τους δράση. Στο Σχήμα 4.10 παρουσιάζεται η λογαριθμική μείωση των μικροοργανισμών P. Aeruginosa και S. Αureus σε θερμοκρασία 22 ο C για 24 ώρες. Τα αποτελέσματα δείχνουν πως και τα δύο υπό εξέταση υλικά Δ19 και Δ20 έχουν μεγάλη βιοστατική δράση και για τους δύο μικροοργανισμούς με log reduction >5. Σχήμα Λογαριθμική μείωση των μικροοργανισμών σε θερμοκρασία 22 ο C για 24 ώρες, για τα υλικά Δ19 και Δ

114 Τέλος η βιοστατική δράση των επικαλυμμένων διχτυών ερευνήθηκε από το Α.Τ.Ε.Ι. Δυτικής Ελλάδος σε επιταχυνόμενες συνθήκες βιοσυσσώρευσης. Για τις μελέτες αυτές, τα δίχτυα εμβαπτίστηκαν σε ενυδρεία, τα οποία περιείχαν υφάλμυρο φυσικό νερό από τη λιμνοθάλασσα του Μεσολογγίου και φωτίζονταν με λάμπες UV. Στη συνέχεια έγινε σύγκριση της κατάστασης στην οποία βρισκόντουσαν πριν και μετά τη βύθισή τους, σε σχέση με αντίστοιχο μάρτυρα. Στην Εικόνα 4.4 παρουσιάζονται ενδεικτικά αποτελέσματα για το δίχτυ 35α. Όπως φαίνεται, σε σύγκριση με το μάρτυρα, το βιολογικό φορτίο που έχει εναποτεθεί στο δίχτυ είναι σαφώς μικρότερο. Εικόνα 4.4 Φωτογραφία από το Α.Τ.Ε.Ι. Μεσολογγίου του επικαλυμμένου με βιοστατικό υλικό διχτυού 35 α ((PSSNa-co-MANa)3-1/CTAB), βυθισμένου σε ενυδρείο μετά από μία εβδομάδα (αριστερά). Στα δεξιά φαίνεται μη επικαλυμμένο δίχτυ που λειτουργεί σα μάρτυρας. 112

115 Τέλος, η πιθανότητα πρακτικής εφαρμογής των επικαλυμμένων διχτυών εξετάστηκε από την εταιρία «SELODA» με τη μέθοδο της βύθισής τους σε πραγματικό θαλάσσιο περιβάλλον. Ακολούθως, έγινε σύγκριση της κατάστασης στην οποία βρισκόντουσαν πριν και μετά τη βύθισή τους, σε σχέση με αντίστοιχους μάρτυρες. Η σύγκριση αφορούσε τα επιπεδα καθαρότητας της επιφάνειας τους από θαλάσσιους μικροοργανισμούς, φύκη και βακτήρια τα οποία είχαν προσκολληθεί κατά την περίοδο που βρισκόντουσαν βυθισμένα. Ακολουθούν ενδεικτικές φωτογραφίες των διχτυών πριν και μετά την εξέταση τους από την εταιρία SELODA. Στην Eικόνα 4.5 παρουσιάζονται φωτογραφίες των διχτύων με κωδικούς 32 β, 32 γ, 33 β, 33 γ, πριν και μετά τη βύθισή τους σε θαλάσσιο περιβάλλον από την εταιρία SELODA. Με βάση τα αποτελέσματα που λάβαμε από την εταιρία SELODA μπορούμε να συμπεράνουμε ότι την καλύτερη βιοστατική λειτουργία εμφανίζει το δίχτυ με κωδικό 32 β ακολουθώντας με μικρή διαφορά το δίχτυ με κωδικό 33 β. Καλή βιοστατική λειτουργία έχουν επίσης τα δίχτυ 32 γ και 33 γ. 32 β 32 γ 33 β 33γ Εικόνα 4.5 Φωτογραφίες των διχτυών 32β, 32γ, 33β και 33γ πριν (επάνω σειρά) και μετά (κάτω σειρά) την εμβάπτισή τους από την εταιρία SELODA. 113

116 Στην Εικόνα 4.6 παρουσιάζονται φωτογραφίες των διχτυών με κωδικό 40 β, 40 γ και 44 ε πριν και μετά την βύθισή τους σε θαλάσσιο περιβάλλον από την εταιρία SELODA. Με βάση τα αποτελέσματα που λάβαμε από την εταιρία SELODA μπορούμε να συμπεράνουμε ότι την καλύτερη βιοστατική λειτουργία είχε το δίχτυ με κωδικό 44 ε ενώ ακολουθεί το δίχτυ 40 β. Τέλος τη μικρότερη βιοστατική δράση αλλά αρκετά σημαντική σημειώνει το δίχτυ με κωδικό 40 γ. 40 β 40 γ 44 ε Εικόνα 4.6 Φωτογραφίες των διχτυών 40β, 40γ, και 44ε πριν (επάνω σειρά) και μετά (κάτω σειρά) την εμβάπτισή τους από την εταιρία SELODA. 4.5 ΣΥΖΗΤΗΣΗ-ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Ο σκοπός του παρόντος κεφαλαίου, όπως αναφέρθηκε και εισαγωγικά, ήταν η ανάπτυξη πολυμερικών υλικών τα οποία θα φέρουν εναλλακτικές βιοστατικές ενώσεις, όπως τα ιόντα του δισθενούς χαλκού, Cu 2+, αλλά και κατιοντικές επιφανειοδραστικές ενώσεις (CTAB). Οι δύο αυτές βιοστατικές ενώσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν είτε ανεξάρτητα είτε σε συνδυασμό, στο βαθμό που η βιοστατική δράση του τελικού υλικού έχει καλύτερα αποτελέσματα. 114