Στην παρούσα διατριβή διερευνήθηκαν οι παράμετροι που ελέγχουν τη δέσμευση/αποδέσμευση ιόντων Cu2+ ή/και κατιοντικών επιφανειοδραστικών ενώσεων, όπως το βρωμιούχο δεκαεξυλοτριμεθυλαμμώνιο (CTAB) ή το βρωμιούχο δεκαεξυλοτριμεθυλo φοσφώνιο (PC16) από αντίθετα φορτισμένους πολυηλεκτρολύτες. Mελετήθηκαν διαφορετικές πολυμερικές μήτρες που αποτελούνται είτε από εμπορικά διαθέσιμα πολυμερή είτε συντεθήκαν για αυτό το σκοπό, έτσι ώστε να γίνει κατανοητή η επίδραση της χημικής δομής του πολυμερούς στη ταχύτητα δέσμευσης και αποδέσμευσης των δραστικών συστατικών. Καθώς τα ιόντα αυτά έχουν βιοστατική δράση, απώτερος πρακτικός στόχος της διερεύνησης είναι η πιθανή εφαρμογή τέτοιων υβριδικών πολυμερικών υλικών σε υφαλοχώματα που θα εμποδίζουν την απόθεση θαλάσσιων βιοαποθέσεων και θα χαρακτηρίζονται από ιδιότητες «αυτοκαθαρισμού». Έτσι, παρασκευάστηκαν στατιστικά ή συσταδικά αμφίφιλα συμπολυμερή, στα οποία το υδρόφιλο μονομερές μπορεί να δεσμεύσει τα ιόντα Cu2+ ή/και τις αντίθετα φορτισμένες επιφανειοδραστικές ενώσεις, όπως το στυρενοσουλφονικό νάτριο (SSNa), το μηλεϊνικό (ΜΑc) και το ακρυλικό οξύ (ΑΑ), ενώ το υδρόφοβο μονομερές, το οποίο εισάγεται για τον έλεγχο του ισοζυγίου υδροφιλικότητας/υδροφοβικότητας, είναι ο μεθακρυλικός μεθυλεστέρας (ΜΜΑ). Έτσι, χρησιμοποιήθηκαν ομοπολυμερές PSSNa αλλά και συμπολυμερή του MAc με το SSNa (P(SSNa50-co-MANa). Επιπλέον, για συγκριτικούς λόγους παρασκευάστηκε και το συμπολυμερές του ΜΑc με οξικό βινυλεστέρα, (P(VAc-co-MAc), ενώ χρησιμοποιήθηκε και το εναλλασσόμενο συμπολυμερές του μηλεϊνικού οξέος με αιθυλένιο, P(Eth-alt-MAc). Τα στατιστικά αμφίφιλα συμπολυμερή P(MMAx-co-SSNa), P(MMAx-co-AA) παρασκευάστηκαν με συμπολυμερισμό ελευθέρων ριζών, ενώ τα συσταδικά αμφίφιλα συμπολυμερή PMMAx-b-PSSNa και PSSNa-b-PMMAx παρασκευάστηκαν με πολυμερισμό ελευθέρων ριζών μέσω μεταφοράς ατόμου (ΑΤRP), χρησιμοποιώντας ως μακροεκκινητή είτε PMMA είτε PSSNa, αντίστοιχα. Τα μοριακά βάρη των συμπολυμερών χαρακτηρίστηκαν με SEC, ενώ η χημική τους δομή ταυτοποιήθηκε με 1H-NMR και FT-IR. Η εκατοστιαία σύσταση των συμπολυμερών σε μονάδες ΜΜΑ, x, κυμαίνεται στην περιοχή 10-65 mol%, όπως προσδιορίστηκε με 1H-NMR και TGA. Από τη συγκριτική μελέτη της αυτοοργάνωσης σε υδατικό διάλυμα των συσταδικών και των στατιστικών αμφίφιλων συμπολυμερών, P(MMAx-co-SSNa) και PSSNa-b-PMMAx) με ιχνηθέτηση με φθορίζοντες ιχνηθέτες διαπιστώθηκε πως τα συσταδικά συμπολυμερή εμφανίζουν σημαντικότερη τάση αυτοοργάνωσης, καθώς έχουν σημαντικά μικρότερη κρίσιμη συγκέντρωση μικκυλοποίησης και χαρακτηρίζονται από υψηλότερα επίπεδα υδροφοβικότητας. Η δέσμευση των ιόντων Cu2+ από τα παραπάνω συμπολυμερή σε αραιά υδατικά διαλύματα πραγματοποιήθηκε μέσω ιονoανταλλαγής χρησιμοποιώντας τη μετά νατρίου άλατος μορφή των συμπολυμερών ή μέσω εξουδετέρωσης της όξινης μορφής των συμπολυμερών με Cu(OH)2 και διερευνήθηκε με φυσικοχημικές μεθόδους, όπως η θολομετρία, η ιξωδομετρία τριχοειδούς και η φασματοσκοπία υπεριώδους-ορατού. Διαπιστώθηκε πως σε αραιά διαλύματα η δέσμευση των ιόντων Cu2+ οδηγεί σε συρρίκνωση των πολυμερικών αλυσίδων (ιξωδομετρία τριχοειδούς). Μάλιστα, σε αντίθεση με τα συμπολυμερή που περιέχουν SSNa, στα πολυμερή που περιέχουν καρβοξυλικές ομάδες, η συρρίκνωση είναι ιδιαίτερα ισχυρή και οδηγεί σε διαχωρισμό φάσεων καθώς η αναλογία των ιόντων Cu2+ προς τις καρβοξυλικές ομάδες προσεγγίζει τη στοιχειομετρία (θολομετρία), ως αποτέλεσμα του σχηματισμού συμπλόκων ένταξης μεταξύ των ιόντων Cu2+ και των καρβοξυλικών ομάδων (φασματοσκοπία υπεριώδους-ορατού). Μάλιστα, στην περίπτωση του P(Eth-alt-MAc), η φασματοσκοπία υπεριώδους-ορατού έδωσε σαφείς ενδείξεις για το σχηματισμό διπύρηνων συμπλόκων χαλκού με τις ομάδες καρβοξυλίου, τα οποία έχουν τη δυνατότητα να δράσουν ως σταυροδεσμοί δικτυώνοντας τις πολυμερικές αλυσίδες. Ως αποτέλεσμα, σε ημιαραιά διαλύματα σχηματίζονται υδροπηκτώματα. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον έχει το γεγονός πως οι ιξωδοελαστικές ιδιότητες των σχηματιζόμενων υδροπηκωτμάτων εξαρτώνται σημαντικά από το χρόνο ανάμιξης των συμπολυμερών με τα ιόντα Cu2+. Στην επόμενη φάση διερευνήθηκε ο σχηματισμός μικτών συσσωματωμάτων (συμπλόκων) μεταξύ των πολυηλεκτρολυτών που περιέχουν SSNa και της αντίθετα φορτισμένης επιφανειοδραστικής ένωσης, CTAΒ. Στην περίπτωση του ομοπολυμερούς PSSNa ή των συσταδικών αμφίφιλων συμπολυμερών PSSNa-b-PMMAx παρατηρείται διαχωρισμός φάσεων, καθώς η αναλογία των αλληλεπιδρώντων ειδών προσεγγίζει τη στοιχειομετρία φορτίων. Αντίθετα, όταν χρησιμοποιούνται τα στατιστικά αμφίφιλα συμπολυμερή P(MMAx-co-SSNa) με x=33-47mol%, σχηματίζονται ιξώδη διαλύματα ή ασθενή πηκτώματα. Η ρεολογική διερεύνηση του φαινόμενου κατέδειξε πως εξαρτάται από τη συγκέντρωση του πολυμερούς, τη γραμμομοριακή αναλογία CTAΒ/SSNa και την ιοντική ισχύ του υδατικού διαλύματος. Πριν τις τελικές δοκιμές σε πραγματικές συνθήκες παρασκευάστηκαν αιδιάλυτα στο νερό υβριδικά υλικά πολυμερούς-χαλκού, ενδεχομένως παρουσία CTAΒ ή PC16 χρησιμοποιώντας όλες τις προηγούμενες οικογένειες συμπολυμερών αλλά και εμπορικά διαθέσιμα πολυμερή αντίστοιχης δομής. Χρησιμοποιώντας κατάλληλο εκλεκτικό αντιδραστήριο (bathocuproine) μελετήθηκε φωτομετρικά η αποδέσμευση των ιόντων Cu2+ σε υδατικό διάλυμα NaCl 1 M. Έτσι, διευκρινίστηκε η επίδραση διαφόρων παραγόντων στο ρυθμό αποδέσμευσης των ιόντων Cu2+, όπως η ύπαρξη υδρόφοβων μονομερών, το είδος και το ποσοστό αυτών, η αρχιτεκτονική (στατιστική ή συσταδική) των συμπολυμερών, η εισαγωγή και το είδος της επιφανειοδραστικής ένωσης, ο τρόπος εισαγωγής και το είδος της αλληλεπίδρασης με τα ιόντα Cu2+. Στο τελευταίο στάδιο, διερευνήθηκε η συμβατότητά/αναμιξιμότητα των παρασκευασθέντων βιοστατικών υλικών με τυπικές πολυμερικές μήτρες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε υφαλοχρώματα. Στις περιπτώσεις που διαπιστώθηκε ικανοποιητική συμβατότητα/αναμιξιμότητα (συστήματα PSSNa/CTAB, PSSNa/PC16, P(SSNa50-co-MANa)/CuPC16, P(VAc-co-MANa)/Cu) και ήταν εφικτό, παρασκευάστηκαν τα αντίστοιχα υφαλοχρώματα. Η συμπεριφορά αυτών των υφαλοχρωμάτων διερευνήθηκε εργαστηριακά με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM), όσον αφορά τις μορφολογικές μεταβολές της επιφάνειας και τις μεταβολές του πάχους του χρώματος σε επιταχυνόμενες συνθήκες αποδέσμευσης βιοστατικού (υδατικό διάλυμα 5M NaCl). Επίσης, μελετάται και η συμπεριφορά τους σε πραγματικές συνθήκες με τη βοήθεια ειδικής διάταξης σε ελεγχόμενο θαλάσσιο χώρο. / At this thesis, the parameters that influence the interaction and the release of copper ions and/or of cationic surfactants as hexadecyltrimethyl ammonium bromide (CTAB) or hexadecyltrimethyl phosphonium bromide (PC16) from opposite charged polyelectrolytes, are studied. Different polymeric matrixes that are consisted either by commercially available polymers or by polymers that were synthesized for this purpose, were used in order, the influence of the polymer structure to the release rate of copper ions, to be identified. As these ions can behave as biocides, the practical purpose of this study is the possible application of these polymers to self-polishing antifouling paints. Random or block amphiphilic copolymers, whose hydrophilic monomer can interact with copper ions and/or the surfactants, such as styrene sulfonate (SSNa), maleic acid (MAc) and acrylic acid (AA), while the hydrophobic one, which is introduced for the hydrophilicity/hydrophobicity control, such as methyl methacrylate (MMA), were prepared. In addition, for comparison, the copolymer of maleic acid with vinyl acetate (VAc), (P(VAc-co-MAc)) was prepared. The alternative copolymer of maleic acid with ethylene was also used. The random copolymers P(MMAx-co-SSNa), P(MMAx-co-AA) were synthesized by free radical polymerization while the block copolymers PMMAx-b-PSSNa and PSSNa-b-PMMAx were synthesized through atom transfer polymerization (ATRP), using either PMMA or PSSNa as macroinitiator. The molecular weights of the copolymers were determined by SEC while their structure was identified by 1H-NMR and FT-IR. The copolymer composition in MMA untis is between 10-65 mol% as it was determined by 1H-NMR and TGA. The ability of self-assembling of random and block copolymers (P(MMAx-co-SSNa) και PSSNa-b-PMMAx) in aqueous solution was studied by pyrene fluorescence probing. The block copolymers was found to present self-assembling properties as they have lower critical micellization concentration. The binding of Cu2+ by the above mentioned polymers in dilute solutions was achieved through ion-exchange procedure using the sodium salt form of the copolymers or through neutralization of the acid form of the polymers using Cu(OH)2. Tholometry, viscometry and UV-Vis spectrometry were used to study this binding. The interaction of Cu2+ with the polymers leads to the shrinkage of the polymer chains. To the copolymers that contain carboxylic groups this shrinkage is more intense and leads to macroscopic phase separation, as the ratio of Cu2+ to the carboxylic groups is near the stoichiometry, as a consequence of complexes formation. The UV-Vis study of P(Eth-alt- MAc) denoted the formation of binuclear complexes between the Cu2+ and the carboxylic groups. These complexes can behave as crosslinks of the polymer chains. As a result, in semi-dilute solutions, gels are formed. Interestingly, the viscoelastic properties of these gels are dependent on the time elapsed from the mixture of the Cu2+ with the polymer. The interaction of polyelectrolytes that contain SSNa units, with opposite charged surfactant CTAΒ was studied. The interaction of homopolymer PSSNa or of the blocks copolymers PSSNa-b-PMMAx with CTAB leads to phase separation as the ratio of these compounds is near the stoichiometry. On the contrast, the interaction of CTAB with random copolymers P(MMAx-co- SSNa) where x=33-47mol%, leads to the formation of very viscous solutions or weak gels. By the study of the rheological properties of these systems, the influence of the polymer concentration, the molar ratio CTAΒ/SSNa and the ionic strength was found. All the above mentioned polymers where used for the preparation of hybrid materials that contain Cu2+. CTAΒ ή PC16 were also introduced to some of them in order to take a water insoluble material. The final purpose of this thesis was to control the release of Cu+2 ions from the prepared hybrid materials in aqueous NaCl 1M solution. The Cu+2 -release studies were performed photometrically using a selective dye (bathocuproine). As a result, the influence of many parameters such as the presence of hydrophobic monomers, their type and their content, the architecture of the copolymers (random or blocks), the introduction and the type of surfactants, the way of introduction of copper ions to the polymers and the type of their interaction was studied. The compatibility of all these materials with matrixes which are used in the antifouling paints was studied. In case that this compatibility was satisfying, antifouling paints using these polymeric materials (PSSNa/CTAB, PSSNa/PC16, P(SSNa50-co-MANa)/CuPC16, P(VAc-co-MANa)/Cu) were prepared. The morphology of the surface of these paints and the changes to their thickness was studied by SEM after staying in aqueous solution of NaCl 5M. Their behavior to real conditions (sea) is being studied.

Οι νανοσωλήνες άνθρακα, από τη στιγμή της ανακάλυψής τους, έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας, λόγω της ευρείας εφαρμογής τους σε πολλά επιστημονικά και τεχνολογικά πεδία, ως συνέπεια των μοναδικών ιδιοτήτων τους. Σημαντική είναι η χρησιμοποίηση των νανοσωλήνων άνθρακα με σκοπό την ανάπτυξη μιας καινοτόμου μεμβράνης υψηλών αποδόσεων, για χρήση στην τεχνολογία Βιοαντιδραστήρα Μεμβρανών (Membrane Bioreactors, MBRs). Στην παρούσα εργασία, πραγματοποιήθηκε χημική τροποποίηση των νανοσωλήνων άνθρακα με πολυμερικές αλυσίδες. Η τροποποίηση των νανοσωλήνων μπορεί όχι μόνο να αυξήσει τη διαλυτότητά τους, αλλά να βελτιώσει την επεξεργασιμότητά τους και να τους προσδώσει νέες ιδιότητες, ανάλογα με τη φύση των μορίων της τροποποίησης. H τροποποίηση των νανοσωλήνων άνθρακα μπορεί να επιτευχθεί με την επισύναψη λειτουργικών ομάδων στην επιφάνειά τους, είτε μέσω ομοιοπολικού είτε μέσω μη ομοιοπολικού δεσμού. Η ομοιοπολική σύνδεση επιτυγχάνεται με δύο μεθόδους: τον “εμβολιασμό προς” και τον “εμβολιασμό από”. Στον “εμβολιασμό προς” το συντεθειμένο πολυμερές προσδένεται απευθείας στην επιφάνεια του νανοσωλήνα, ενώ στον “εμβολιασμό από” η πολυμερική αλυσίδα αναπτύσσεται πάνω στην επιφάνεια του νανοσωλήνα. Στη συγκεκριμένη εργασία, λεπτοί νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλού τοιχώματος (Thin MWCNTs) και νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλού τοιχώματος (MWCNTs) τροποποιήθηκαν ομοιοπολικά και με τις δύο μεθόδους με πολυμερή, τα οποία μπορούν να ενσωματώσουν είτε ομοιοπολικά είτε ηλεκτροστατικά ομάδες τεταρτοταγούς αζώτου και φωσφoνίου, οι οποίες παρουσιάζουν βιοστατικές ιδιότητες. Ειδικότερα, έγιναν προσπάθειες ομοιοπολικής πρόσδεσης των βιοστατικών ομάδων μέσω πολυμερισμού κατάλληλων μονομερών ή με πολυμερισμό των μονομερών και κατάλληλη χημική τροποποίησή τους στην επιφάνεια των νανοσωλήνων άνθρακα. Τα μονομερή ήταν ο 2-(διμεθυλάμινο) μεθακρυλικός αιθυλεστέρας (DMAEMA) και το τεταρτοταγές DMAEMA για τους MWCNTs, ενώ μια επιπλέον προσπάθεια πραγματοποιήθηκε για πολυμερισμό του Ν,Ν-[(διμεθυλάμινο)πρόπυλο]μεθακρυλαμιδίου (MADAP) στους Thin MWCNTs. Επειδή οι προσπάθειες δεν προχώρησαν σε σημαντικό βαθμό, συντέθηκε το στατιστικό συμπολυμερές P(AA12-co-VBCHAM) με συμπολυμερισμό του ακρυλικού οξέος (ΑΑ) και του 4-βινυλοβένζυλο χλωριδίου (VBC) σε ποσοστό 12% και 88% αντίστοιχα και εισαγωγή της N,N-διμεθυλοδεκαεξυλαμίνης, το οποίο στη συνέχεια εισήχθη στους τροποποιημένους, με ομάδες φαινόλης, νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs-PhOH). Επίσης, επετεύχθη εισαγωγή των βιοστατικών ομάδων αμμωνίου και φωσφονίου μέσω ηλεκτροστατικής αλληλεπίδρασης ως αντισταθμιστικά ιόντα στον αρνητικά φορτισμένο πολυηλεκτρολύτη πολυ(στυρενοσουλφονικό νάτριο) (PSSNa), που είχε προσδεθεί στους τροποποιημένους, με ομάδες εκκινητή ATRP, (πολυμερισμός ελευθέρων ριζών μέσω μεταφοράς ατόμου) λεπτούς νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλού τοιχώματος (Τhin MWCNTs-Ph-INIT). Η ίδια διαδικασία πραγματοποιήθηκε για την εισαγωγή ομάδων αμμωνίου στο PSSNa που είχε προσδεθεί στους τροποποιημένους, με ομάδες εκκινητή ATRP, νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλού τοιχώματος (MWCNTs-Ph-INIT). Τα συντεθειμένα βιοστατικά υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πολλές εφαρμογές, μεταξύ των οποίων είναι και ο καθαρισμός του νερού. / Since their discovery, carbon nanotubes, have attracted the interest of the scientific community, because of their wide application in a numerous scientific and technological fields, as a consequence of their unique properties. The use of carbon nanotubes is of great importance to the field of Membrane Bioreactors (MBRs) for the development of innovative membranes of high performance. The modification of carbon nanotubes can not only increase their solubility, but improve their processability and give them new properties, depending on the nature of the molecules of modification. In this work, the chemical modification of carbon nanotubes with polymer chains is investigated. Modification of carbon nanotubes can be achieved with the attachment of functional groups in their surface, through covalent or non covalent bond. The covalent bond is achieved with two methods: “grafting to” and “grafting from”. In the “grafting to” method, the synthesized polymer is attached directly on the surface of carbon nanotube, while in the “grafting from” method, the polymer chain is developed from the surface of the carbon nanotube. In the present work, thin multi-walled carbon nanotubes (Thin MWCNTs) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) were modified covalently with both methods with polymers, that can incorporate either covalently or electrostatically, quartenary ammonium and phosphonium groups that present antifouling properties. More specifically, efforts were made in covalent attachment of antifouling groups via polymerization of suitable monomers or with polymerization of monomers and appropriate subsequent chemical modification in the surface of carbon nanotubes. The monomers were the 2-(Dimethylamino)ethyl methacrylate (DMAEMA) and quaternized DMAEMA for MWCNTs, while an additional effort was made in polymerization of N,N-[(dimethylamino)propyl]methacrylamide (MADAP) in Thin MWCNTs. Because the efforts were not successful, the random copolymer P(AA12-co-VBCHAM) was prepared, with copolymerization of acrylic acid (AA) and 4-vinylbenzyl chloride (VBC) in 12% and 88% percentage respectively and introduction of N,N-Dimethylhexadecylamine, which afterwards was introduced into modified, with phenol groups, carbon nanotubes (CNTs-PhOH). Furthermore, successful introduction of antifouling ammonium and phosphonium groups via electostatical interaction as counter ions in the negatively charged polyelectrolyte poly(sodium styrene sulfonate) (PPSNa) was accomplished. The polyelectrolyte was grafted onto modified, with ATRP (atom transfer radical polymerization) initiator groups, thin multi-walled carbon nanotubes (Thin MWCNTs-Ph-INIT). The same process was followed for the introduction of ammonium groups in PSSNa, which was grafted onto modified, with ATRP initiator groups, multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs-Ph-INIT). The composed antifouling materials can be used in a lot of applications, including the water purification.