Electrospinning - Chemistry and Chemists № 1 2026

Having noticed a mistake in the text, allocate it and press Ctrl-Enter

Electrospinning: Nitrocellulose - Part 22
Электроспиннинг: нитроцеллюлоза - Часть 22

At the same time that I was dissolving polymethyl methacrylate, I also attempted to dissolve another polymer: nitrocellulose. Recently, a colleague had attempted to purchase reactive nitrocellulose for membrane fabrication. When he contacted the supplier, it turned out that the minimum order quantity was 10 kg. Since he did not need such a large amount, he decided not to proceed with the purchase.

I could have nitrated cotton wool myself, as we did in our youth, but I chose a simpler approach. I had a few grams of "Sokol" ("Falcon") hunting smokeless powder, which consists primarily of nitrocellulose. I decided that, for preliminary experiments, using smokeless powder instead of pure nitrocellulose would be perfectly acceptable.

Acetone is a good solvent for this type of smokeless powder. By dissolving smokeless powder in acetone, pyrotechnicians prepare a varnish that is widely used in their work. I was not interested in pyrotechnics and did not have much acetone available, so I decided to look for an alternative solvent. The "Acetone+" substitute dissolves smokeless powder much less effectively than real acetone: dissolution takes a long time, and the resulting solution is more viscous. Interestingly, in the case of polystyrene, the opposite is true - the polymer dissolves well in the substitute but only swells in real acetone.

I therefore decided to try methyl acetate as a solvent. I weighed 5.195 g of methyl acetate and 0.520 g of the smokeless powder. After adding the powder to the weighing bottle containing the solvent, the methyl acetate turned yellow. I mixed the contents, sealed the bottle tightly, and stirred it occasionally. The nitrocellulose gradually swelled and dissolved, forming a green solution with relatively low viscosity.

At the same time, I mixed the same amounts of the smokeless powder and the "Acetone+" solvent. By the next day, a viscous liquid had formed. I added another 3 g of the solvent in portions; the viscosity decreased, but the solution still remained more viscous than the nitrocellulose solution in methyl acetate.

Since the nitrocellulose solution in methyl acetate had a significantly lower viscosity, I decided to use it for electrospinning.

I drew the solution into a syringe, fixed the syringe in the syringe pump, turned on the high voltage, and started the solution feed. "Protrusions" formed at the tip of the needle, actively ejecting jets as well as irregularly shaped "pieces" of the nitrocellulose solution. The appearance of the process was unlike anything I had observed in my numerous experiments with polystyrene or in my few experiments with polymethyl methacrylate.

I hoped that the jets of solution would transform into fibers. I even imagined producing something resembling nitrated cotton wool, which burns in the palm of the hand with a bright flash but does not injure the skin. Electrospun nitrocellulose could also, in principle, be subjected to alkaline hydrolysis to yield cellulose.

Unfortunately, even during the experiment it became clear that, although a coating was forming on the collector, it was most likely not fibrous. To confirm this, I stopped the process and examined the collector under a microscope. Instead of fibers, I observed hardened lumps of nitrocellulose.

I returned the collector to its position, reduced the distance between the electrodes as much as possible, and turned the voltage back on. A miniature lightning bolt flashed between the needle and the collector, accompanied by a loud sound. Curiously, such a powerful spark did not ignite the nitrocellulose coating the collector. I immediately turned off the power and measured the distance between the electrodes - it turned out to be 35 mm.

Later, I called the physicist who had previously worked on electrospinning together with my chemist colleague and told him what had happened. It turned out that, in his experiments, the distance between the electrodes was at least 120 mm.

It was clear that either the voltage between the electrodes was insufficient to form nitrocellulose fibers, or that nitrocellulose simply does not form fibers under these conditions.

I stopped the process. The experiments with both polymethyl methacrylate and nitrocellulose had failed. There was only one day left before the New Year. I had no new ideas. The only one I tried was dissolving polymethyl methacrylate in tetrahydrofuran and the "Acetone+" solvent, hoping this would yield a solution with lower viscosity than in the case of dichloromethane.

Photos/Video

Электроспиннинг: нитроцеллюлоза - Часть 22

Одновременно с растворением полиметилметакрилата я также пытался растворить другой полимер: нитроцеллюлозу. Чистой нитроцеллюлозы у меня не было. Недавно коллега пытался купить реактивную нитроцеллюлозу, которая ему нужна для получения мембран. Когда он позвонил поставщику, оказалось, что минимальное количество нитроцеллюлозы, которое они продают, - 10 кг. Так много нитроцеллюлозы ему не нужно, поэтому он отказался от покупки.

Можно было нитровать хлопковую вату, как мы это делали в молодости, но я нашел более простой способ. У меня было несколько грамм бездымного охотничьего пороха "Сокол", который состоит преимущественно из нитроцеллюлозы. Решил, что для пробных экспериментов вполне приемлемо использовать бездымный порох вместо чистой нитроцеллюлозы.

Хороший растворитель для упомянутого бездымного пороха - ацетон. Растворяя бездымный порох в ацетоне, пиротехники получают лак, который активно используют в своей работе. Пиротехника меня не интересовала, ацетона было мало, поэтому я решил подобрать альтернативный растворитель. Заменитель "Ацетон+" растворяет бездымный порох гораздо хуже, чем настоящий ацетон. Растворение занимает значительное время, и раствор получается более вязким. В случае полистирола все обстоит с точностью до наоборот: полимер хорошо растворяется в заменителе, но только набухает в настоящем ацетоне.

Решил попробовать метилацетат в качестве растворителя. Взвесил 5.195 г метилацетата и 0.520 г бездымного пороха. Добавил порох в бюкс с растворителем, метилацетат окрасился в желтый цвет. Перемешал содержимое бюкса, плотно закрыл, периодически перемешивал. Нитроцеллюлоза постепенно набухла и растворилась. Образовался зеленый раствор со сравнительно низкой вязкостью.

Параллельно смешал такие же количества бездымного пороха и растворителя "Ацетон+". На следующий день образовалась вязкая жидкость. Я добавил в нее порциями еще 3 г растворителя, вязкость уменьшилась, однако, раствор все еще оставался более вязким, чем раствор нитроцеллюлозы в метилацетате.

Поскольку раствор нитроцеллюлозы в метилацетате имел существенно более низкую вязкость, я решил использовать для электроспиннинга именно этот раствор.

Набрал раствор в шприц, закрепил шприц в шприцевом насосе, включил высокое напряжение, включил подачу раствора. На кончике иглы образовались "отростки", которые активно выстреливали струи и "кусочки" неправильной формы раствора нитроцеллюлозы. Внешне это было не похоже на мои многочисленные эксперименты с полистиролом и немногочисленные эксперименты с метилметакрилатом.

Я надеялся, что струи раствора превратятся в волокна. Даже представлял, что, возможно, удастся получить аналог нитрованной хлопковой ваты, которая сгорает на ваших ладонях с сильной вспышкой, но не причиняет вреда коже. А еще электроспиннинговую нитроцеллюлозу можно будет подвергнуть щелочному гидролизу, получив из нее целлюлозу.

К сожалению, еще в ходе процесса стало заметно, что покрытие на коллекторе образуется, однако данное покрытие, скорее всего, состоит не из волокон. Чтобы проверить это предположение, остановил процесс и исследовал коллектор под микроскопом. Вместо волокон я увидел затвердевшие комочки нитроцеллюлозы.

Вернул коллектор на место, максимально уменьшил расстояние между электродами, включил напряжение. Между иглой и коллектором с громким звуком проскочила миниатюрная молния. Любопытно, что столь мощная искра не вызвала воспламенение нитроцеллюлозы, которая покрывала коллектор. Сразу же выключил ток и измерил расстояние между электродами, оно оказалось равным 35 мм.

Позже я позвонил физику, который раньше занимался электроспиннингом вместе с моим напарником, и рассказал ему о происшедшем. Оказалось, что в его экспериментах расстояние между электродами было, как минимум, 120 мм.

Было ясно, что либо для формирования волокон нитроцеллюлозы не хватает напряжения между электродами, либо нитроцеллюлоза в данных условиях вообще не образует волокон.

Остановил процесс. Ни с полиметилметилметакрилатом, ни с нитроцеллюлозой эксперимент не получился. До нового года оставался один день. Новых идей у меня не было. Разве что я пытался растворить полиметилметакрилат в тетрагидрофуране и растворителе "Ацетон+" в надежде, что образуется менее вязкий раствор, чем в случае с дихлорметаном.

Having noticed a mistake in the text, allocate it and press Ctrl-Enter

Dissolving Polymethyl Methacrylate (PMMA) in Tetrahydrofuran and Surrogate Acetone - Part 23
Растворение полиметилметакрилата (PMMA) в тетрагидрофуране и сурогатном ацетоне - Часть 23

Despite its low concentration (4.3%), the PMMA solution in dichloromethane proved to be too viscous. Electrospinning this solution did produce fibers, but they were too thick and too sparse. To ensure proper operation, the viscosity of the solution needed to be reduced. Further dilution with dichloromethane was impractical, as the initial solution already had a low polymer concentration.

Therefore, I decided to replace dichloromethane with other solvents - tetrahydrofuran and the "Acetone+" substitute. Perhaps PMMA solutions in these solvents would have an acceptable viscosity, although my expectations of success were low.

I broke off a 1.730 g piece of PMMA from the plate and weighed 19.155 g of tetrahydrofuran in a glass bottle. If the polymer were to dissolve completely, the resulting concentration would be 8.3%. The bottle did not have a glass stopper, so I used a black rubber stopper instead. I was well aware that many organic solvents attack rubber, becoming contaminated in the process. However, I did not have a suitable container available, and at the time I was busy electrospinning polystyrene and did not want to waste time searching. To protect the rubber from the tetrahydrofuran, I placed a sheet of polyethylene film between the stopper and the bottle, fully aware that this measure is only temporary and not always effective.

The next day, I found that the polymer had swollen and turned opaque but had not dissolved. To accelerate the process, I stirred the contents of the bottle with a metal rod. The swollen PMMA had adhered to the bottom and was difficult to dislodge.

After five days, I noticed that the upper layer of the liquid had turned brown. Despite the polyethylene film, the tetrahydrofuran had evidently come into contact with the rubber stopper. This may have occurred during shaking, or perhaps solvent vapors had condensed on the stopper. In any case, part of the solution had become discolored. I replaced the stopper with another one - also rubber, but gray, which is more resistant to organic solvents.

The polymethyl methacrylate continued to swell, increasing in volume and transforming into a semi-liquid mass, but it still did not dissolve completely. I thoroughly mixed the contents of the bottle.

After eight days, the bottle contained a yellowish, highly viscous liquid that was still heterogeneous.

After twenty days, the contents had become homogeneous and resembled a gel. When I tilted the bottle by 90 degrees, the liquid flowed very slowly. Long before this point, it had become clear that such a solution was unsuitable for electrospinning due to its excessively high viscosity.

At the same time, I attempted to dissolve PMMA in the "Acetone+" substitute, using 0.820 g of polymer and 12.555 g of solvent. The result was similar to that obtained with tetrahydrofuran. The polymer swelled for a long time and eventually formed a viscous solution with very low flowability. The two solutions differed only in color, as the tetrahydrofuran had extracted impurities from the black rubber stopper. This solution was also clearly unsuitable for electrospinning.

Thus, I met the New Year with my latest experiments having failed and no new ideas in sight. I spent the last day of the old year visiting my chemist colleague, planning to visit him again on New Year's Day.

Photos/Video

Растворение полиметилметакрилата (PMMA) в тетрагидрофуране и сурогатном ацетоне - Часть 23

Несмотря на низкую концентрацию (4.3%), раствор полиметилметакрилата в дихлорметане оказался слишком вязким. В результате электроспиннинга данного раствора удалось получить волокна, но они оказались слишком толстыми и немногочисленными. Чтобы процесс шел нормально, необходимо было уменьшить вязкость раствора. Разбавлять раствор полимера дихлорметаном было нецелесообразно, поскольку начальный раствор уже имел низкую концентрацию.

Следовательно, я решил заменить дихлорметан другими растворителями - тетрагидрофураном и растворителем "Ацетон+". Возможно, растворы PMMA в данных растворителях будут иметь приемлемую вязкость, хотя надежда на положительный результат была низкой

Отбил от пластинки кусок полиметилметакрилата массой 1.730 г, взвесил в стеклянной бутылочке 19.155 г тетрагидрофурана. В случае полного растворения, концентрация полимера будет составлять 8.3%. Стекленной крышки к этой бутылке не было, поэтому пришлось использовать крышку из черной резины. Я прекрасно знал, что многие органические растворители разрушают резину, при этом загрязняясь. Однако, подходящей тары под рукой не оказалось, а я тогда был занят электроспиннингом полистирола и не хотел тратить время на поиски. Чтобы предохранить резину от действия тетрагидрофурана, я поместил между пробкой и бутылкой полиэтиленовую пленку (зная, что такая мера помогает только временно и не всегда).

На следующий день я обнаружил, что полимер набух, стал непрозрачным, но не растворился. Для ускорения процесса перемешал содержимое бутылочки металлическим стержнем. Набухший PMMA пристал ко дну и отделился с трудом.

Через 5 дней обнаружил, что верхний слой жидкости стал коричневым. Несмотря на полиэтиленовую пленку, тетрагидрофуран вступил в контакт с резиновой пробкой. Возможно, это произошло при встряхивании бутылочки, возможно, пары растворителя конденсировались на пробке. В любом случае, часть жидкости окрасилась в коричневый цвет. Заменил пробку на другую - тоже резиновую, но серого цвета. Данный сорт резины более устойчив к действию растворителей.

Кусок полиметилметакрилата набух, увеличился в объеме и превратился в полужидкую массу, но полностью не растворился. Тщательно перемешал содержимое бутылочки.

Через 8 дней внутри бутылочки находилась желтоватая жидкость с высокой вязкостью. Она была все еще неоднородной.

Через 20 дней внутри бутылочки был однородный раствор, который напоминал гель. Повернул бутылочку на угол 90 градусов - жидкость текла очень медленно. Задолго до этого я понял, что такой раствор непригоден для электроспиннинга - его вязкость была слишком высокой.

Одновременно я попробовал растворить PMMA в заменителе "Ацетон+", использовав 0.820 г полимера и 12.555 г растворителя. Результат оказался аналогичным эксперименту с тетрагидрофураном. Полимер долго набухал, образовав в конечном итоге вязкий раствор с очень низкой текучестью. Внешне растворы отличались только по оттенку из-за того, что тетрагидрофуран экстрагировал загрязнения из черной резины. Определенно, такой раствор также не был пригоден для электроспиннинга.

Так я встретил Новый год: последние эксперименты не получились, а новых идей пока не было. Последний день уходящего года я провел в гостях у коллеги-химика, намереваясь прийти к нему и в первый день нового года.