L'influence des systèmes multi-solvants sur le processus d'électrofilage

Pourquoi des fibres minuscules et des liquides simples comptent

Des masques respirants aux pansements intelligents en passant par les emballages alimentaires, de nombreux matériaux modernes reposent sur des nattes de fibres plastiques extrêmement fines. L'une des méthodes les plus polyvalentes pour produire ces nanofibres est une technique appelée électrofilage, qui étire des filaments à partir d'un liquide en utilisant une haute tension. Cet article pose une question apparemment simple mais aux grandes conséquences pratiques : comment le choix et le mélange de solvants de laboratoire courants — les liquides utilisés pour dissoudre le plastique — contrôlent-ils la formation de fibres soignées et utilisables ou la transformation soudaine du liquide en un gel inutilisable ?

Tisser des toiles à partir d'un liquide chargé

L'électrofilage commence par un polymère dissous dans un solvant et alimenté à travers une petite buse. Lorsqu'une haute tension est appliquée, un fin jet se dirige vers une plaque collectrice et se solidifie en une nappe de fibres plus fines qu'un cheveu humain. L'avantage de la méthode est que le diamètre des fibres, leur lissage et leur porosité peuvent être ajustés pour des usages variés, des pansements délivrant des médicaments aux filtres pour l'air et l'eau. Mais le procédé est extrêmement sensible aux propriétés du liquide : sa viscosité, sa tension de surface et sa conductivité électrique dépendent toutes du solvant, ou du mélange de solvants, utilisé. Dans cette étude, les auteurs se concentrent sur un plastique biodégradable, le polybutylène succinate (PBS), et explorent ce qui se passe lorsqu'il est dissous dans le chloroforme associé à un second liquide à point d'ébullition plus élevé.

Quand un liquide clair se transforme soudain en gelée

L'équipe a mélangé de façon systématique le chloroforme avec trois solvants organiques courants — le diméthylformamide (DMF), le diméthylsulfoxyde (DMSO) et le d-limonène — et y a dissous deux grades commerciaux de PBS. Ils ont observé que nombre de ces mélanges bisolvants, au lieu de rester clairs, devenaient lentement opaques puis se transformaient finalement en une masse gélatineuse ou graisseuse, en particulier lorsque DMF ou DMSO étaient présents. En chauffant et refroidissant prudemment les solutions et en suivant les points de transition liquide–gel, les chercheurs ont cartographié les températures de transition et estimé la barrière énergétique de ce changement. Leur analyse des formes moléculaires des solvants et de la distribution des charges suggère que les solvants très polaires, DMF et DMSO, s'associent fortement entre eux et avec des sites spécifiques sur les chaînes de PBS. Ces contacts bloquent efficacement des segments de chaîne, réduisent la mobilité et poussent le mélange vers une précipitation locale et la gélification.

De petites différences dans le plastique, de grands écarts de comportement

Fait intéressant, les deux produits PBS, bien que presque identiques en masse molaire, ont réagi de façon assez différente. Un grade (BioPBS FD 92) ne gélifiait que lorsque la teneur en co-solvant polaire était relativement élevée, tandis que l'autre (PBE 003) commençait à s'opacifier avec des ajouts beaucoup plus faibles. Les auteurs relient ce contraste à des différences subtiles de densité, d'architecture des chaînes et d'additifs de fabrication, qui modifient la facilité avec laquelle les molécules de solvant peuvent s'intercaler entre les segments polymères. Les mesures de viscosité ont montré que les solutions de BioPBS étaient plus épaisses, ce qui aidait à stabiliser le jet chargé pendant l'électrofilage et aboutissait à des fibres plus uniformes. En revanche, les solutions moins visqueuses de PBE 003 étaient plus sujettes aux instabilités, produisant des fibres avec une distribution de diamètres plus large et davantage de défauts en forme de fuseau, surtout à mesure que la gélification progressait dans le temps.

Des brins lisses aux fibres poreuses et instables

Au moyen de microscopes électroniques, les chercheurs ont comparé les fibres obtenues pour chaque combinaison de solvants. Avec le DMF comme second solvant, ils ont obtenu des fibres lisses et continues. Lorsque le DMSO était utilisé à la place, les fibres développaient une surface poreuse. Les auteurs attribuent cela à une séparation de phase induite par la vapeur : le DMSO, très hydrophile, absorbe l'humidité de l'air ambiant, entraînant la précipitation du PBS dissous à la surface des fibres avant l'évaporation complète des solvants, et laissant de petits vides. Pour les mélanges qui gélifiaient rapidement, la fenêtre de traitement utile se réduisait à environ une demi-heure. Au-delà, le jet se rompait, les diamètres des fibres devenaient erratiques et des fuseaux épais apparaissaient, montrant comment une gélification dépendant du temps compromet directement la qualité du produit et l'évolutivité du procédé.

Ce que cela signifie pour des matériaux fibreux plus écologiques

En termes pratiques, ce travail montre que dissoudre un plastique dans « n'importe quel » mélange de liquides compatibles ne suffit pas si l'on veut des nanofibres fiables et finement contrôlées. L'association précise et le ratio de mélange des solvants peuvent discrètement faire basculer le liquide d'un état amical et filable en une gelée rigide qui bouche le procédé, ou vers une solution qui forme des fibres lisses ou poreuses. Pour le PBS biodégradable, des partenaires polaires comme le DMF et le DMSO offrent un contrôle utile sur la taille et la texture des fibres mais peuvent aussi déclencher la gélification à moins que leur teneur et la température ne soient soigneusement maîtrisées. En identifiant ces interactions cachées et leur impact sur le temps de traitement, cette étude fournit une feuille de route pratique pour concevoir des produits en nanofibres plus sûrs et plus écologiques pour la médecine, l'emballage et la filtration, sans mauvaises surprises sur la ligne d'électrofilage.

Citation: 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

Mots-clés: électrofilage, nanofibres, polymères biodégradables, mélanges de solvants, gélification