多溶剂体系对静电纺丝过程的影响

为什么微小纤维与简单液体重要

从透气口罩到智能敷料与食品包装，许多现代材料依赖于由极细塑料纤维构成的毡状结构。静电纺丝是一种极为多用途的制备这些纳米纤维的方法，通过高电压从液体中拉出细丝。本文提出了一个看似简单但具有重要实际意义的问题：常用实验室溶剂——用于溶解塑料的液体——的选择与混合如何决定是形成规整、有用的纤维，还是液体突然变成无用的凝胶？

从带电液体纺出网状结构

静电纺丝从将聚合物溶解在溶剂中并通过小喷嘴输送开始。当施加高电压时，细流体朝收集板射出并固化为比人体头发还细的纤维网。该方法的优点在于纤维直径、平滑度与孔隙率可为不同用途调节，从载药敷料到空气和水过滤器均可覆盖。但该过程对液体性质极为敏感：粘度、表面张力以及导电能力都取决于使用哪种溶剂或溶剂组合。本研究聚焦一种可降解塑料——丁二酸丁二醇酯（PBS）——并研究当其溶解在氯仿与第二种高沸点溶剂混合物中时会发生什么。

当清澈液体突然变成凝胶

研究团队系统地将氯仿与三种常见有机溶剂——二甲基甲酰胺（DMF）、二甲基亚砜（DMSO）和d-柠檬烯——混合，并溶解两种市售PBS等级。他们观察到，许多这类双溶剂混合物并未保持清澈，而是逐渐变浑浊并最终转为类似凝胶或脂状的团块，尤其在含有DMF或DMSO时更明显。通过对溶液进行加热和冷却并追踪其在液态与凝胶态间的转变时刻，研究者绘制了转变温度并估算了该转变的能量势垒。他们对溶剂分子形状与电荷分布的分析表明，高极性的DMF与DMSO既易相互结合，也易与PBS链上的特定位点相吸引。这些接触有效地锁定了聚合物链的部分段，降低了链段的流动性，使整体混合物更容易局部沉淀并发生凝胶化。

塑料的微小差异导致行为大相径庭

有趣的是，尽管两种PBS产品在分子量上几乎相同，但它们的响应却大相径庭。一种（BioPBS FD 92）仅在极性共溶剂含量较高时才出现凝胶，而另一种（PBE 003）在加入较少共溶剂时就开始变浑浊。作者将这一差异归因于密度、链结构和出厂添加的加工助剂的细微差别，这些差别改变了溶剂分子插入聚合物片段间的难易程度。粘度测量显示，BioPBS溶液更为粘稠，有助于在静电纺丝中稳定带电射流，从而得到更均匀的纤维。相比之下，低粘度的PBE 003溶液更容易发生不稳定，产生直径分布更宽且带有梭形缺陷的纤维，尤其是在随时间推进的凝胶化过程中更为明显。

从光滑细丝到多孔与不稳定纤维

研究者使用电子显微镜比较了由各溶剂组合制得的纤维。以DMF为第二溶剂时，得到的是光滑且连续的纤维；而以DMSO时，纤维表面出现多孔结构。作者将此归因于蒸汽诱导相分离：高度亲水的DMSO从周围空气中吸收水分，导致在溶剂完全蒸发前PBS在纤维表面沉淀，从而留下微小空洞。对于快速凝胶化的混合物，有效加工时间窗缩短至约半小时。超过该时间，射流断裂、纤维直径变得不稳定并出现粗大梭形，说明随时间发生的凝胶化直接削弱了产品质量与可规模化生产性。

对更环保纤维材料的意义

通俗地说，这项工作表明，仅仅把塑料溶解在“任意”两种相容液体的混合物中不足以保证可靠且精确调控的纳米纤维制备。溶剂的具体配对与混合比可以悄然将液体从易纺的友好状态引向堵塞工艺的硬化凝胶，或决定是形成平滑还是多孔的纤维。对于可降解的PBS而言，像DMF与DMSO这样的极性共溶剂在控制纤维尺寸与质地方面提供了有用手段，但若不严格控制其含量与温度，也会触发凝胶化。通过识别这些隐藏相互作用及其对加工时间的影响，本研究为设计更安全、更环保的医用、包装与过滤用纳米纤维产品提供了实用路线图，避免在纺丝生产线上出现意外问题。

引用: 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

关键词: 静电纺丝, 纳米纤维, 可降解聚合物, 溶剂混合物, 凝胶化