پژوهش های کاربردی مهندسی شیمی - پلیمر
فصلنامه علمی - پژوهشی

بهینه‌سازی ساخت نیمه شبکه های درهم خلیده پلی (آکریلیک اسید)/ زانتان با استفاده از روش سطح پاسخ

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسنده

محسن شهروسوند

دانشگاه تهران

چکیده
ابرجاذب­ها، هیدروژل­های آبدوستی هستند که می‌توانند مقادیر زیادی آب را در ساختارهای سه‌بعدی خود جای دهند و کاربردهای گسترده­ای در علوم مختلف مانند دارو رسانی، پزشکی و کشاورزی دارند. این مواد پلیمرهای آبدوستی هستند که به صورت فیزیکی و یا شیمیایی شبکه‌ای شده­اند. میزان شبکه­ای شدن هیدروژل­ها و مقدار تورم آن­ها در محیط­های آبی دو ویژگی متقابل هم هستند. در صورت افزایش اتصالات عرضی در یک هیدروژل، هرچند میزان تبدیل (conversion) و خواص فیزیکی و مکانیکی هیدروژل افزایش می­یابد، اما از سوی دیگر میزان تورم آن دچار کاهش می­شود. بنابراین تعیین شرایط مناسب پلیمریزاسیون به منظور دستیابی به خواص و تورم بهینه، چالش پیش روی پژوهشگران است. در این پژوهش به منظور بهینه­سازی شرایط سنتز نیمه­شبکه­های درهم خلیده پلی ­(آکریلیک اسید)/زانتان از روش سطح پاسخ (Response surface method) با استفاده از طرح باکس بنکن (Box-Behnken design) استفاده شد. متغیرهای این روش، نسبت مولی عامل اتصال عرضی دهنده (X1)، درصد وزنی صمغ زانتان (X2) به عنوان محیط واکنش و مقدار آغازگر (X3) بوده است که تغییرات هر یک در سه سطح در نظر گرفته شد. پاسخ‌های مورد ارزیابی در روش سطح پاسخ، میزان تبدیل (Y1) و میزان تورم (Y2) هیدروژل­ها در آب بوده است. بر اساس 17 آزمایش پیشنهاد شده توسط این طراحی آزمایش، مواد با یکدیگر ترکیب شدند و پلیمریزاسیون رادیکالی درون قالب­های سیلیکونی در دمای °C 65 انجام شد. نتایج آنالیز ANOVA نشان داد خطای داده­های این پژوهش اندک بوده است و ضریب تعیین (R2) هر دو مدل پیشنهادی برای پاسخ‌ها بالاتر از 0.9 بوده است. 46 آزمایشی که برای نقطه بهینه توسط این نرم‌افزار با درصد مطلوبیت (Desirability) بالای 50 درصد پیشنهاد شد، مبین سنتز هیدروژل­هایی است که هم از میزان تبدیل مناسبی برخوردار باشند و هم مقدار تورم آنها مطلوب باشد. به عنوان مثال با 8/12 درصد مولی عامل اتصال عرضی، 03/0 گرم آغازگر و محلول 1 درصد وزنی زانتان، هیدروژل­هایی با میزان تبدیل 93 درصد و مقدار جذب آب 107 درصد تهیه شد. این هیدروژل­ها می‌توانند در زمینه­های مختلفی از جمله تصفیه پساب­های رنگی کارخانجات، کشاورزی، سامانه­های دارو رسانی، جاذب­های پزشکی و غیره مورد استفاده قرار بگیرند.

کلیدواژه‌ها

هیدروژل
پلی آکریلیک اسید
زانتان
بهینه سازی سنتز
روش سطح پاسخ

موضوعات

عنوان مقاله English

Optimization of the synthesis of poly (acrylic acid)/xanthan semi-IPNs using the response surface methodology

نویسنده English

Mohsen Shahrousvand
University of Tehran
چکیده English

Research subject: Superabsorbents are hydrophilic hydrogels that can accommodate large amounts of water in their three-dimensional structures and have wide applications in various sciences such as pharmaceuticals, medicine, and agriculture. These materials are hydrophilic polymers that are physically or chemically cross-linked. Conversion and swelling ratio of synthesized hydrogels are two counter effects. Therefore, determining the appropriate conditions for polymerization to achieve optimal properties and swelling rate of hydrogels is a challenge for researchers.

Research approach: In this study, optimizing the synthesis conditions of semi-interpenetrating poly (acrylic acid)/xanthan hydrogels, the response surface methodology (RSM) was used by Box-Behnken design (BBD). The variables of this method were the molar ratio of the cross-linking agent (X1), the weight percentage of xanthan gum (X2) as the reaction medium, and the amount of initiator (X3), each of which was considered at three levels. The evaluated responses in RSM were the rate of polymerization conversion (Y1) and the rate of swelling (Y2) of the hydrogels in the water.



Main results: Based on the 17 experiments proposed by RSM (BBD), the cross-linker, xanthan gum, and initiator were combined and radical polymerization was performed into silicone molds at 65 ° C. The results of ANOVA analysis showed that the data error of this study was small and the coefficient of determination (R2) of both proposed models for the responses Y1 and Y2 was higher than 0.9. The 46 experiments proposed for the optimal point by RSM (BBD) with the desirability of more than 50% indicate the synthesis of hydrogels that have both a good conversion rate and an optimal amount of swelling. For example, by 13% of cross-linking agent, 0.043 g of initiator and 1% wt. the solution of xanthan, hydrogels with a 95% conversion rate, and 102% water uptake were prepared. These hydrogels can be used in a variety of fields, including the treatment of colored wastes in factories, agriculture, pharmaceutical systems, medical attractions, and more.

کلیدواژه‌ها English

Hydrogel
Poly (acrylic acid) (PAA)
Xanthan Gum (XG)
Optimization
Response Surface Methodology (RSM)
[1] S. Pourbashir, M. Shahrousvand, M. Ghaffari, Preparation and characterization of semi-IPNs of polycaprolactone/poly (acrylic acid)/cellulosic nanowhisker as artificial articular cartilage, International journal of biological macromolecules 142 (2020) 298-310.
[2] M. Shahrousvand, M. Ghollasi, A.A.K. Zarchi, A. Salimi, Osteogenic differentiation of hMSCs on semi-interpenetrating polymer networks of polyurethane/poly (2‑hydroxyethyl methacrylate)/cellulose nanowhisker scaffolds, International journal of biological macromolecules 138 (2019) 262-271.
[3] S.M. Hosseini, M. Shahrousvand, S. Shojaei, H.A. Khonakdar, A. Asefnejad, V. Goodarzi, Preparation of superabsorbent eco-friendly semi-interpenetrating network based on cross-linked poly acrylic acid/xanthan gum/graphene oxide (PAA/XG/GO): Characterization and dye removal ability, International Journal of Biological Macromolecules 152 (2020) 884-893.
[4] A. Ahmadi-Dehnoei, S. Ghasemirad, R. Shiri, Preparation and Improvement of Shear Strength of a Water-Redispersible Waterborne Acrylic Adhesive for Making Cellulose Joints, Journal of Applied Research of Chemical-Polymer Engineering 3(1) (2019) 47-57.
[5] M. Hajikhani, M.M. Khanghahi, M. Shahrousvand, J. Mohammadi-Rovshandeh, A. Babaei, S.M.H. Khademi, Intelligent superabsorbents based on a xanthan gum/poly (acrylic acid) semi-interpenetrating polymer network for application in drug delivery systems, International journal of biological macromolecules 139 (2019) 509-520.
[6] J.W. Lee, S.Y. Kim, S.S. Kim, Y.M. Lee, K.H. Lee, S.J. Kim, Synthesis and characteristics of interpenetrating polymer network hydrogel composed of chitosan and poly (acrylic acid), Journal of Applied Polymer Science 73(1) (1999) 113-120.
[7] J.N. Gavgani, M. Shahrousvand, M.M. Aslzadeh, Monitoring the effects of homogeneity methanol/water/monomer on the mode of polymerization of styrene: dispersion polymerization versus emulsion polymerization, Colloid and Polymer Science 291(10) (2013) 2299-2309.
[8] A. Pourjavadi, M. Ayyari, M. Amini-Fazl, Taguchi optimized synthesis of collagen-g-poly (acrylic acid)/kaolin composite superabsorbent hydrogel, European Polymer Journal 44(4) (2008) 1209-1216.
[9] A. Ghezal, K.H. Khayat, Optimizing self-consolidating concrete with limestone filler by using statistical factorial design methods, Materials Journal 99(3) (2002) 264-272.
[10] B. Yeten, A. Castellini, B. Guyaguler, W. Chen, A comparison study on experimental design and response surface methodologies, SPE Reservoir Simulation Symposium, Society of Petroleum Engineers, 2005.
[11] G.E. Box, J.S. Hunter, Multi-factor experimental designs for exploring response surfaces, The Annals of Mathematical Statistics 28(1) (1957) 195-241.
[12] H. Jafari, M. Shahrousvand, B. Kaffashi, Reinforced poly (ε-caprolactone) bimodal foams via phospho-calcified cellulose nanowhisker for osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells, ACS Biomaterials Science & Engineering 4(7) (2018) 2484-2493.
[13] P. Gholami Tilko, Z. Hajihassan, H. Moghimi, Optimization of recombinant β-NGF expression in Escherichia coli using response surface methodology, Preparative Biochemistry and Biotechnology 47(4) (2017) 406-413.
[14] R. Gannu, V.V. Yamsani, S.K. Yamsani, C.R. Palem, M.R. Yamsani, Optimization of hydrogels for transdermal delivery of lisinopril by Box–Behnken statistical design, AAPS PharmSciTech 10(2) (2009) 505-514.
[15] A.A. Oladipo, M. Gazi, E. Yilmaz, Single and binary adsorption of azo and anthraquinone dyes by chitosan-based hydrogel: selectivity factor and Box-Behnken process design, Chemical Engineering Research and Design 104 (2015) 264-279.
[16] A.L. Faria-e-Silva, E. Piva, R.R. Moraes, Time-dependent effect of refrigeration on viscosity and conversion kinetics of dental adhesive resins, European journal of dentistry 4(2) (2010) 150.
[17] W. Van Camp, H. Gao, F.E. Du Prez, K. Matyjaszewski, Effect of crosslinker multiplicity on the gel point in ATRP, Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry 48(9) (2010) 2016-2023.
[18] P. Ghaffari-Bohlouli, F. Hamidzadeh, P. Zahedi, M. Shahrousvand, M. Fallah-Darrehchi, Antibacterial nanofibers based on poly (l-lactide-co-d, l-lactide) and poly (vinyl alcohol) used in wound dressings potentially: A comparison between hybrid and blend properties, Journal of Biomaterials Science, Polymer Edition 31(2) (2020) 219-243.
[19] T.R.R. Singh, P.A. McCarron, A.D. Woolfson, R.F. Donnelly, Investigation of swelling and network parameters of poly (ethylene glycol)-crosslinked poly (methyl vinyl ether-co-maleic acid) hydrogels, European Polymer Journal 45(4) (2009) 1239-1249.
[20] M.J. Garland, T.R.R. Singh, A.D. Woolfson, R.F. Donnelly, Electrically enhanced solute permeation across poly (ethylene glycol)–crosslinked poly (methyl vinyl ether-co-maleic acid) hydrogels: effect of hydrogel crosslink density and ionic conductivity, International journal of pharmaceutics 406(1-2) (2011) 91-98.
[21] M. Shahrousvand, M.S. Hoseinian, M. Ghollasi, A. Karbalaeimahdi, A. Salimi, F.A. Tabar, Flexible magnetic polyurethane/Fe2O3 nanoparticles as organic-inorganic nanocomposites for biomedical applications: Properties and cell behavior, Materials Science and Engineering: C 74 (2017) 556-567.
[22] M. Shahrousvand, G. Mir Mohamad Sadeghi, A. Salimi, Artificial extracellular matrix for biomedical applications: biocompatible and biodegradable poly (tetramethylene ether) glycol/poly (ε-caprolactone diol)-based polyurethanes, Journal of Biomaterials Science, Polymer Edition 27(17) (2016) 1712-1728.
[23] V.B. Bueno, D.F.S. Petri, Xanthan hydrogel films: Molecular conformation, charge density and protein carriers, Carbohydrate polymers 101 (2014) 897-904.
[24] E. Makhado, S. Pandey, P.N. Nomngongo, J. Ramontja, Fast microwave-assisted green synthesis of xanthan gum grafted acrylic acid for enhanced methylene blue dye removal from aqueous solution, Carbohydrate polymers 176 (2017) 315-326.

صفحه اصلی

راهنمای نویسندگان

ارسال مقاله

داوران

تماس با ما