Der Einfluss von Mehrfachlösungsmittelsystemen auf den Elektrospinnprozess

Warum winzige Fasern und einfache Flüssigkeiten wichtig sind

Von atmungsaktiven Gesichtsmasken über intelligente Wundauflagen bis hin zu Lebensmittelverpackungen beruht vieles moderne Materialdesign auf Matten aus extrem dünnen Kunststofffasern. Eine der vielseitigsten Methoden zur Herstellung dieser Nanofasern ist das sogenannte Elektrospinnen, bei dem mit hoher Spannung Stränge aus einer Flüssigkeit gezogen werden. Dieser Artikel stellt eine auf den ersten Blick einfache, aber praktisch bedeutende Frage: Wie beeinflusst die Wahl und das Mischen alltäglicher Laborlösungsmittel – also der Flüssigkeiten, in denen der Kunststoff gelöst wird – die Bildung von sauberen, nützlichen Fasern oder das plötzliche Umkippen der Lösung zu einem unbrauchbaren Gel?

Netze aus geladenen Flüssigkeiten spinnen

Das Elektrospinnen beginnt mit einem Polymer, das in einem Lösungsmittel gelöst und durch eine kleine Düse zugeführt wird. Sobald eine hohe Spannung angelegt wird, schießt ein dünner Strahl zur Sammlerplatte und verfestigt sich zu einem Netz von Fasern, die dünner sind als ein menschliches Haar. Das Schöne an der Methode ist, dass Durchmesser, Glätte und Porosität der Fasern für verschiedene Einsatzzwecke einstellbar sind – von medikamententragenden Wundauflagen bis zu Luft- und Wasserfiltern. Der Prozess reagiert jedoch sehr empfindlich auf die Eigenschaften der Flüssigkeit: Viskosität, Oberflächenspannung und Leitfähigkeit hängen alle davon ab, welches Lösungsmittel oder welche Lösungsmittelkombination verwendet wird. In dieser Studie konzentrieren sich die Autoren auf einen biologisch abbaubaren Kunststoff, Polybutylensuccinat (PBS), und untersuchen, was passiert, wenn er in Chloroform zusammen mit einer zweiten, höher siedenden Flüssigkeit gelöst wird.

Wenn eine klare Flüssigkeit plötzlich zur Gelmasse wird

Das Team mischte Chloroform systematisch mit drei gängigen organischen Lösungsmitteln – Dimethylformamid (DMF), Dimethylsulfoxid (DMSO) und d-Limonen – und löste zwei handelsübliche PBS‑Typen darin. Sie beobachteten, dass viele dieser Zwei‑Lösungsmittel‑Gemische statt klar zu bleiben langsam trüb wurden und schließlich in eine gelartige oder fettartige Masse übergingen, insbesondere bei Anwesenheit von DMF oder DMSO. Durch kontrolliertes Erhitzen und Abkühlen der Lösungen und die Verfolgung der Umwandlung zwischen Zustand flüssig und gel, kartierten die Forschenden Übergangstemperaturen und schätzten die Energienbarriere für diesen Wechsel. Ihre Analyse der molekularen Formen der Lösungsmittel und der Ladungsverteilung legt nahe, dass das hochpolare DMF und DMSO starke Wechselwirkungen sowohl untereinander als auch mit bestimmten Stellen an den PBS‑Ketten eingehen. Diese Kontakte sperren effektiv Teile der Kette, verringern die Mobilität und treiben die Mischung in Richtung lokaler Ausfällung und Gelbildung.

Kleine Unterschiede im Kunststoff, große Unterschiede im Verhalten

Interessanterweise reagierten die beiden PBS‑Produkte, obwohl sie nahezu identische Molekulargewichte aufwiesen, recht unterschiedlich. Eine Sorte (BioPBS FD 92) gelierte nur bei relativ hohem Anteil des polaren Co‑Lösungsmittels, während die andere (PBE 003) bereits bei deutlich kleineren Zusätzen zu trüben begann. Die Autoren führen diesen Unterschied auf subtile Abweichungen in Dichte, Kettenarchitektur und werksseitig zugesetzten Verarbeitungsadditiven zurück, die beeinflussen, wie leicht Lösungsmittelmoleküle sich zwischen Polymersegmente einlagern können. Viskositätsmessungen zeigten, dass BioPBS‑Lösungen zähflüssiger waren, was den geladenen Jet beim Elektrospinnen stabilisierte und zu gleichmäßigeren Fasern führte. Im Gegensatz dazu neigten die niedrigviskosen PBE‑003‑Lösungen eher zu Instabilitäten, erzeugten Fasern mit größerer Durchmesserstreuung und mehr spindelförmigen Defekten, besonders wenn die Gelbildung im Zeitverlauf fortschritt.

Von glatten Strängen zu porösen und instabilen Fasern

Mithilfe von Elektronenmikroskopen verglichen die Forschenden die Fasern, die aus den verschiedenen Lösungsmittelkombinationen erzeugt wurden. Mit DMF als sekundärem Lösungsmittel erhielten sie glatte, kontinuierliche Fasern. Bei Verwendung von DMSO entwickelten die Fasern dagegen eine poröse Oberfläche. Die Autoren erklären dies mit einer dampfinduzierten Phasentrennung: das stark wasseranziehende DMSO zieht Feuchtigkeit aus der umgebenden Luft an, wodurch das gelöste PBS bereits an der Faseroberfläche ausfällt, bevor die Lösungsmittel vollständig verdunsten, und so winzige Hohlräume zurückbleiben. Bei schnell gelierenden Mischungen schrumpfte das nutzbare Verarbeitungsfenster auf etwa eine halbe Stunde. Danach brach der Jet, die Faserdurchmesser wurden unregelmäßig und dicke Spindeln traten auf – ein direkter Beleg dafür, wie zeitabhängige Gelbildung die Produktqualität und die Skalierbarkeit untergräbt.

Was das für umweltfreundlichere Faserwerkstoffe bedeutet

Einfach ausgedrückt zeigt diese Arbeit, dass das Auflösen eines Kunststoffs in „irgendeiner“ Mischung kompatibler Flüssigkeiten nicht ausreicht, wenn man zuverlässige, fein einstellbare Nanofasern herstellen möchte. Die genaue Paarung und das Mischungsverhältnis der Lösungsmittel können die Flüssigkeit unbemerkt von einem gut spinnbaren Zustand in ein steifes Gel treiben, das den Prozess verstopft, oder in eine Lösung, die entweder glatte oder poröse Fasern bildet. Für biologisch abbaubares PBS bieten polare Partner wie DMF und DMSO nützliche Möglichkeiten zur Kontrolle von Faserdurchmesser und -textur, können jedoch auch Gelbildung auslösen, sofern ihr Anteil und die Temperatur nicht sorgfältig gesteuert werden. Indem diese verborgenen Wechselwirkungen und ihre Auswirkungen auf die Verarbeitungszeit identifiziert werden, liefert die Studie eine praktische Anleitung für die Entwicklung sichererer, umweltfreundlicherer Nanofaserprodukte für Medizin, Verpackung und Filtration – ohne unangenehme Überraschungen in der Spinnlinie.

Zitation: Borowczak, M., Sobczyk, K. & Leluk, K. The influence of multi-solvent systems on the electrospinning process. Sci Rep 16, 8666 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42574-0

Schlüsselwörter: Elektrospinnen, Nanofasern, biologisch abbaubare Polymere, Lösungsmittelmischungen, Gelbildung