השפעת מערכות מולטי-ממסים על תהליך האלקטרו-ספינינג

מדוע סיבים זעירים ונוזלים פשוטים חשובים

ממסכות נשימה מאווררות ועד תחבושות חכמות ואריזות מזון — חומרים מודרניים רבים נשענים על מצעים של סיבים פלסטיים דקיקים מאוד. אחת השיטות הרב-תכליתיות להפיק ננו-סיבים אלה היא טכניקה הנקראת אלקטרו-ספינינג, שמושכת סיבים מנוזל בעזרת מתח גבוה. המאמר שואל שאלה שבמבט ראשון נראית פשוטה אך בעלת השלכות מעשיות רחבות: כיצד בחירה וערבוב של ממסים נפוצים במעבדה — הנוזלים שמשתמשים בהם לפירוק הפלסטיק — שולטים בשאלה האם ייווצרו סיבים מסודרים ושימושיים או שהנוזל יהפוך לפתע לג׳ל חסר תועלת?

אריגת קרומים מנוזל טעון

האלקטרו-ספינינג מתחיל מפולימר מומס בממס ומוזרם דרך נחיר קטן. כאשר מוחל מתח גבוה, זרם דק נורה לעבר צלחת קולקטור ומתקשה לאריגת סיבים דקים יותר משל שער האדם. היופי של השיטה הוא שניתן לכוונן את קוטר הסיב, החלקנות והפורוזיות לצרכים שונים — מטיפולים נשאים-תרופות ועד מסנני אוויר ומים. אך התהליך רגיש מאוד לתכונות הנוזל: צמיגותו, מתיחות פני השטח ויכולת הולכת החשמל שלו תלויות בממס או בתערובת ממסים שבה משתמשים. במחקר זה המחברים מתמקדים בפלסטיק מתכלה, פוליבוטילן סוקסינט (PBS), ומחקרים מה קורה כשהוא מומס בכלורופורם יחד עם נוזל שני בעל נקודת רתיחה גבוהה יותר.

כשנוזל צלול נהפך לפתאום לג׳לי

הצוות ערבב באופן שיטתי כלורופורם עם שלושה ממסים אורגניים נפוצים — דימתילפורמיד (DMF), דימתיל סולפוקסיד (DMSO) וד-לימונן — ופרק שתי דרגות מסחריות של PBS בתערובות אלו. הם צפו כי רבות מהתערובות דו-ממסיות הללו, במקום להישאר צלולות, הפכו לאט-לאט לעכורות ובסופו של דבר למסה דמוית ג׳ל או שומן, בעיקר כאשר DMF או DMSO נוכחים. באמצעות חימום וקירור מבוקרים של התמיסות ומעקב אחרי המעבר בינן לבין הג׳ל, החוקרים מיפו טמפרטורות מעבר והעריכו את מחסום האנרגיה לשינוי זה. ניתוח צורות המולקולות והפצת המטען בממסים מציע ש-DMF ו-DMSO הקוטביים מתקשרים בחוזקה זה עם זה וגם עם אתרים ספציפיים בשרשראות ה-PBS. המגעים הללו לוקחים למעשה חלקים מהשרשרת במקום, מקטינים את התנועתיות ודוחפים את כל התערובת לכיוון שיקוע מקומי וג׳לציה.

הבדלים קטנים בפלסטיק, הבדלים גדולים בהתנהגות

באופן מעניין, שתי תערובות ה-PBS, על אף זהותן המשקל מולקולרי כמעט, הגיבו באופן שונה למדי. דרגה אחת (BioPBS FD 92) ג׳לצה רק כאשר תכולת הממס הקוטבי הייתה יחסית גבוהה, בעוד שהשנייה (PBE 003) החלה להתעכר כבר בתוספות קטנות יותר. המחברים מקשרים את הניגוד הזה להבדלים עדינים בצפיפות, בארכיטקטורת השרשרת ובעוזרות עיבוד שנוספו במפעל, שמשנים עד כמה קל למולקולות הממס להשתחל בין מקטעי הפולימר. מדידות צמיגות הראו שהתמיסות של BioPBS היו עבות יותר, מה שעזר לייצב את הקרן הטעונה במהלך האלקטרו-ספינינג והוביל לסיבים אחידים יותר. לעומת זאת, התמיסות של PBE 003 בעלות צמיגות נמוכה יותר היו נוטות לאי-יציבות, וייצרו סיבים עם פיזור גדול יותר בקוטר ופגמים בצורת כישור, במיוחד כאשר הג׳לציה התקדמה עם הזמן.

ממימדים חלקים לסיבים נקבוביים ולא-יציבים

באמצעות מיקרוסקופים אלקטרוניים השוו החוקרים את הסיבים שהופקו מכל שילוב ממסים. עם DMF כממס השני קיבלו סיבים חלקים ורציפים. כאשר השתמשו ב-DMSO במקום זאת, הסיבים פיתחו משטח נקבובי. המחברים מייחסים זאת להפרדת פאזה מונעת-אדי: DMSO הימני-למים סופח לחות מהאוויר, וגורם ל-PBS המומס להתשקע על פני שטח הסיב לפני שהממסים מתנדפים במלואם, מה שמשאיר חללים זעירים. עבור תערובות שג׳לצו במהירות, חלון העיבוד השימושי התקצר לכ-חצי שעה. מעבר לכך הזרם נקטע, קוטרי הסיבים הפכו לאקראיים וכדורי כישור עבים הופיעו, מה שמדגים כיצד ג׳לציה תלויה-זמן פוגעת ישירות באיכות המוצר ובהיתכנות ההרחבה התעשייתית.

מה משמעות הדבר לחומרים סיביים ירוקים יותר

במונחים יומיומיים, עבודה זו מראה כי פירוק פלסטיק ב"רק כל" תמהיל של נוזלים תואמים אינו מספיק אם רוצים ננו-סיבים מהימנים ומכוונים היטב. הזיווג המדויק ושיעור הערבוב של הממסים יכולים להכווין בשקט את הנוזל ממצב ידידותי וניתן-להרמה למצב קשה וג׳לנטי החוסם את התהליך, או לפתרון שמייצר סיבים חלקים או נקבוביים. עבור PBS מתכלה, שותפים קוטביים כמו DMF ו-DMSO מספקים שליטה שימושית על גודל ומרקם הסיבים אך גם עלולים להפעיל ג׳לציה אלא אם כן תכולתם והטמפרטורה מנוהלים בזהירות. בעזרת זיהוי האינטראקציות הנסתרות הללו והשפעתן על זמן העיבוד, המחקר מספק מפת דרכים מעשית לעיצוב מוצרי ננו-סיבים בטוחים וירוקים יותר לרפואה, אריזה וסינון — ללא הפתעות לא נעימות בקו האריגה.

ציטוט: 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

מילות מפתח: אלקטרו-ספינינג, ננו-סיבים, פולימרים מתכלים, תערובות ממסים, ג׳לציה