Влияние многорастворных систем на процесс электроспиннинга

Почему важны крошечные волокна и простые жидкости

От дышащих масок до умных повязок и упаковки для продуктов — многие современные материалы опираются на маты из чрезвычайно тонких пластиковых нитей. Один из самых универсальных способов получения этих нанофибр — метод электроспиннинга, при котором нити вытягиваются из жидкости под действием высокого напряжения. В статье поставлен кажущийся простым, но важный практически вопрос: как выбор и смешивание обычных лабораторных растворителей — жидкостей, используемых для растворения пластика — определяют, образуются ли аккуратные полезные волокна или же жидкость вдруг переходит в бесполезный гель?

Прядение сетей из заряженной жидкости

Электроспиннинг начинается с полимера, растворённого в растворителе, который подаётся через маленькое сопло. При приложении высокого напряжения тонкая струя устремляется к сборочной пластине и затвердевает в сеть волокон, тоньше человеческого волоса. Прелесть метода в том, что диаметр, гладкость и пористость волокон можно настроить под разные задачи — от перевязок с лекарственным наполнением до фильтров для воздуха и воды. Но процесс чрезвычайно чувствителен к свойствам жидкости: вязкость, поверхностное натяжение и проводимость зависят от того, какой растворитель или их сочетание используются. В этом исследовании авторы сосредотачиваются на биодеградируемом пластике полибутиленсукцинате (PBS) и изучают, что происходит, когда он растворён в хлороформе вместе со вторым, с более высокой температурой кипения, растворителем.

Когда прозрачная жидкость вдруг превращается в желе

Команда систематически смешивала хлороформ с тремя распространёнными органическими растворителями — диметилформамидом (DMF), диметилсульфоксидом (DMSO) и d-лимоненом — и растворяла в них два коммерческих сорта PBS. Они обнаружили, что многие из этих двухрастворительных смесей вместо того, чтобы оставаться прозрачными, постепенно мутнели и в конце концов превращались в желеобразную или кремоподобную массу, особенно при наличии DMF или DMSO. Аккуратно нагревая и охлаждая растворы и отслеживая моменты их перехода между жидким и гелеобразным состоянием, исследователи построили карту температур перехода и оценили энергетический барьер для этого изменения. Их анализ форм молекул растворителей и распределения зарядов указывает, что сильно полярные DMF и DMSO тесно взаимодействуют как друг с другом, так и с определёнными участками цепей PBS. Эти контакты фактически «скрепляют» части цепи, уменьшая подвижность и подталкивая всю смесь к локальной осадке и гелированию.

Небольшие различия в пластике — большие различия в поведении

Любопытно, что два образца PBS, хотя и имели почти одинаковую молекулярную массу, вели себя довольно по-разному. Один сорт (BioPBS FD 92) желировал лишь при относительно высоком содержании полярного ко-растворителя, тогда как другой (PBE 003) начинал мутнеть при гораздо меньших добавках. Авторы связывают это различие с тонкими отличиями в плотности, архитектуре цепей и добавках, внесённых на заводе при обработке, которые меняют лёгкость, с которой молекулы растворителя проникают между сегментами полимера. Измерения вязкости показали, что растворы BioPBS были более вязкими, что помогало стабилизировать заряженный струйный поток при электроспиннинге и приводило к более однородным волокнам. Напротив, растворы PBE 003 с более низкой вязкостью были более склонны к нестабильностям, образуя волокна с большим разбросом диаметров и большим числом веретенообразных дефектов, особенно по мере прогрессирования гелирования во времени.

От гладких нитей к пористым и нестабильным волокнам

Используя электронную микроскопию, исследователи сравнили волокна, полученные из различных сочетаний растворителей. При использовании DMF в качестве второго растворителя получали гладкие непрерывные волокна. При применении DMSO поверхность волокон становилась пористой. Авторы объясняют это фазовым разделением, вызванным парообразованием: сильно гидрофильный DMSO поглощает влагу из воздуха, что приводит к осаждению PBS на поверхности волокна до полного испарения растворителей, оставляя крошечные пустоты. Для смесей, которые желировали быстро, полезное технологическое окно сузилось примерно до получаса. По прошествии этого времени струя прерывалась, диаметры волокон становились непредсказуемыми, появлялись толстые веретена — что наглядно демонстрирует, как зависящее от времени гелирование напрямую подрывает качество продукта и масштабируемость процесса.

Что это значит для более «зелёных» волоконных материалов

Говоря простыми словами, эта работа показывает: растворить пластик «в любой» совместимой смеси жидкостей недостаточно, если нужна надёжная, тонко настроенная нанофибра. Точная пара растворителей и их соотношение могут незаметно перевести смесь из удобного для прядения состояния в жёсткое желе, которое засоряет процесс, или в раствор, дающий либо гладкие, либо пористые волокна. Для биодеградируемого PBS полярные партнёры, такие как DMF и DMSO, дают полезные рычаги управления размером и текстурой волокон, но также могут вызвать гелирование, если их доля и температура не контролируются. Выявив эти скрытые взаимодействия и их влияние на технологическое время, исследование предоставляет практическую карту для проектирования более безопасных и экологичных нанофибровых продуктов для медицины, упаковки и фильтрации без неприятных сюрпризов на линии прядения.

Цитирование: 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

Ключевые слова: электроспиннинг, нанофибры, биодеградируемые полимеры, смеси растворителей, гелирование