My Introduction to Electrospinning - Part 1
Электроспиннинг
Мое знакомство с электроспиннингом - Часть 1

Many years ago, two colleagues told me about their experience with electrospinning. One was a physicist, the other a chemist. They succeeded in producing polyvinylene difluoride (PVDF) fibers from a dimethylformamide (DMF) solution by using an old computer monitor as a transformer.

In English, the word "spinning" conjures up images of the spinning process and of a spindle, but in Ukrainian, these words are pronounced differently. However, in our language, the word "spinning" refers to a type of fishing rod. I used to love fishing, so I remembered my colleagues' story. Unfortunately, they abandoned the work before it reached its logical conclusion.

After many years, the idea arose to continue their work. It was interesting, but I was hesitant to pursue it, as it was a different field of science. I am a chemist, and electrospinning is almost pure physics. After some thought, I decided to take up electrospinning because I need scientific publications for my reports. This is a long story, and most importantly, it's far from complete, so I'll try to describe it all in order. First, I'll briefly outline the method.

A polymer solution is injected through a syringe needle. The solution forms a droplet at the tip of the thin needle. A positive electrode, which is charged to a voltage of several tens of thousands of volts, is connected to the needle.

Since a high voltage is applied to the liquid, like charges repel each other, trying to expand the droplet as much as possible. At the same time, the surface tension force acts in the opposite direction, trying to compress the droplet, reducing its surface area as much as possible. The two forces compete. Without the counter electrode, the droplet would simply expand as a result of the applied electric potential.

However, a few centimeters (or tens of centimeters) away from the droplet is a negative electrode, usually a metal plate or a rotating drum. The positive charges in the droplet are attracted to the negative electrode, drawing the liquid along with them in a cone-shaped formation known as a Taylor cone. This causes a thin stream of solution to shoot toward the negative electrode.

The stream lengthens and thins as it travels due to electrostatic repulsion, performing whip-like movements and gradually dries. This forms a solid polymer fiber, which is attracted to and adheres to the opposite electrode (the collector). Depending on the process conditions, nano- or microfibers are formed. The fibers combine into a fabric-like structure. A non-woven fibrous material forms on the electrode, which has potential for a wide variety of applications, from medicine and pharmacology to filtration, cosmetics, and clothing.

For successful electrospinning, the polymer solution must have sufficient viscosity; otherwise, the stream may disintegrate into individual droplets. Electrospinning is replaced by electrospraying (formation of an aerosol under the influence of an electric field). However, the viscosity of the polymer solution must not be too high, otherwise the electrostatic force will not be able to draw a jet out from the droplet.

Electrospinning doesn't require the use of a syringe needle or any needle at all: there are other variations. For example, a metal roller in a bath of polymer solution can serve instead of a needle. Two needles can be positioned coaxially, each delivering a different polymer solution simultaneously. A polymer suspension or melt can be used instead of a solution. However, these variations don't change the essence of the method.

What did we have on hand? An old computer monitor with a cathode ray tube and two electrodes connected to its transformer. We also had several laboratory stands, a syringe pump, aluminum foil, plastic sheets, two bottles of DMF (solvent), and a small jar of PVDF.

Of course, laboratory electrospinning setups are readily available, and you can even buy an industrial setup, but our institute hasn't purchased new equipment for many years. Therefore, everything will have to be made by ourselves, using items and materials that we have on hand or can buy ourselves.

One of my colleagues was completely demotivated to work as a scientist. The other retained his desire to pursue science, but was overwhelmed with paperwork and then fell ill, putting him out of action for a long time. As a result, I conducted trial experiments with the first colleague only, after which I had to work on my own. The first colleague obtained some necessary things for the experiment, while the second colleague gave me advice over the phone. I hope the second colleague will get well soon, and the first will change his mind and rejoin the work.

Photos/Video

Электроспиннинг
Мое знакомство с электроспиннингом - Часть 1

Много лет назад двое коллег рассказали мне, как они занимались электроспиннингом. Один из них физик, другой - химик. Им удалось получить волокна поливинилендифторида (PVDF) из раствора в диметилформамиде (DMF), используя старый компьютерный монитор в качестве трансформатора.

В английском языке слово "спиннинг" ассоциируется с процессом прядения (spinning process) и с веретеном (a spindle), в украинском языке эти слова звучат по-другому. Зато в нашем языке слово "спиннинг" означает разновидность рыбацкой удочки. Я раньше любил рыбалку, поэтому и запомнил рассказ коллег. К сожалению, они забросили эту работу, не доведя ее до логического завершения.

Прошло много лет, и возникла идея продолжить работу коллег. Было интересно, однако я сомневался, стоит ли начинать, поскольку это была другая область науки. Я - химик, а электроспиннинг - почти чистая физика. Подумав, решил-таки заняться электроспиннингом, поскольку мне нужны научные публикации для отчетности. История эта долгая, а главное - далекая до завершения, поэтому попробую описать все по порядку. Для начала, кратко изложу суть метода.

Через иглу шприца подается раствор полимера. На кончике тонкой иглы раствор образует каплю. К игле подключен положительный электрод, к которому подведено напряжение в несколько десятков тысяч вольт.

Поскольку к жидкости приложено высокое напряжение, одноименные заряды отталкиваются между собой, стремясь максимально расширить каплю. Одновременно, сила поверхностного напряжения действует в противоположном направлении, стремясь сжать каплю, максимально сократив ее поверхность. Две силы конкурируют. При отсутствии противоположного электрода капля бы просто расширилась в результате наложения электрического потенциала.

Однако, на расстоянии в несколько сантиметров (или несколько десятков сантиметров) от капли расположен отрицательный электрод, обычно это металлическая пластика или вращающийся барабан. Положительные заряды в капле притягиваются к отрицательному электроду, вытягивая вместе с собой жидкость в виде конуса, известного как конус Тейлора (Taylor cone). В результате в отрицательный электрод выстреливает тонкая струя раствора.

Струя в полете удлиняется и утончается в результате электростатического отталкивания, совершая движения, подобные движениям кнута, и постепенно высыхает. В результате образуется твердое волокно полимера, которое притягивается и прилипает к противоположному электроду (коллектору). В зависимости от условий процесса образуются нано- или микроволокна. Волокна объединяются в структуру, подобную ткани. На электроде образуется нетканый материал из волокон, который может иметь самые разнообразные применения: от медицины и фармакологии, до фильтрования, косметики и производства одежды.

Для успешного проведения электроспиннинга важно, чтобы вязкость раствора полимера была достаточной, иначе струя может распасться на отдельные капли. Вместо электроспиннинга будет происходить электроспрейинг (образование аэрозоля под действием электрического поля). С другой стороны, вязкость раствора полимера не должна быть слишком высокой, иначе электростатическая сила не сможет вырвать из капли струю.

Для электроспиннинга не обязательно использовать иглу шприца или иглу вообще: есть другие варианты метода. Например, роль иглы может играть металлический валик в ванночке с раствором полимера. Две иглы могут располагаться коаксиально, и по каждой из них можно одновременно подавать разный раствор полимера. Вместо раствора можно использовать суспензию или расплав полимера. Однако, эти вариации не меняют сути метода.

Что было у нас в наличии? Старый монитор от компьютера с электронно-лучевой трубкой, к трансформатору которого были подключены два электрода. Также у нас было: несколько лабораторных штативов, "шприцедевка" (шприцевой насос), фольга алюминиевая, пластмассовые пластины, две бутылки DMF и маленькая баночка PVDF.

Разумеется, лабораторные установки для электроспиннинга свободно продаются, можно купить даже промышленную установку, но наш институт уже много лет не покупает новое оборудование. Поэтому все придется делать самим из вещей и материалов, которые есть в наличии или которые можно купить за собственные деньги.

Одному из коллег полностью отбили желание работать в науке. У другого желание заниматься наукой сохранилось, однако, его загрузили бумажной работой, а потом он заболел, надолго выйдя из строя. В результате пробные эксперименты мы провели с первым коллегой, после чего пришлось работать самому. Первый коллега доставал необходимые для эксперимента вещи, со вторым я советовался по телефону. Надеюсь, второй коллега скоро поправится, а первый передумает и вернется к работе.

[ Electric Arc, Electrical Discharges, Experiments with Electricity (Part 2) ]

Electrospinning - Discussion on the forum
[Submit a Comment / Error Message - Отправить Комментарий / Сообщение об ошибке]