Electrospinning - Chemistry and Chemists № 1 2026

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

Electrospinning: Solutions of Polystyrene and Polyvinylidene Difluoride in Dimethylformamide - Part 26
Электроспиннинг: раствор полистирола и поливинилиденфторида в диметилформамиде - Часть 26

Despite my fatigue, I continued to think about my recent experiment after I got home. At first, I recalled and analyzed the events of New Year's Day; then, without realizing it, I began planning future work. Electrospinning polystyrene in DMF had yielded good results, which was a pleasant surprise. It would be logical to assume that the high electrical conductivity of DMF was the reason. However, electrospinning a PVDF solution in DMF had not produced fibers. Or rather, my physicist colleague had managed to obtain PVDF fibers by electrospinning a similar solution, whereas my own experiments had been unsuccessful. At that time, my colleague was still ill and was not expected to return to work in the near future.

I came up with the idea of mixing solutions of polystyrene and PVDF in DMF. In the first experiment, polystyrene would be present in excess. If fibers formed during electrospinning of this solution, the proportion of PVDF in the mixture could then be increased from experiment to experiment, until fiber formation ceased.

The next day, I came to the laboratory and weighed out 2.025 g of a 13.6% polystyrene solution in DMF and 1.165 g of a 10.1% PVDF solution in DMF. I mixed the two solutions, and the liquid became cloudy. The resulting mixture contained 30% PVDF and 70% polystyrene by weight.

My chemist colleague insisted that polymer solutions should be left to stand for 24 hours after preparation (or mixing) in order to reach equilibrium. Otherwise, experimental results might be unsatisfactory or irreproducible. At first, I did not believe him, thinking that he was simply inventing another excuse to delay the work. Later, I learned that diffusion in viscous solutions containing long polymer macromolecules can be very slow. Even vigorous stirring does not always help.

Be that as it may, this time I did not wait. I immediately drew the cloudy liquid into a syringe and began electrospinning. I hoped that fibers would form, although the addition of PVDF to polystyrene could have interfered with the process - for example, by promoting aerosol formation.

My fears were unfounded. Visually, the experiment resembled the previous one with the pure polystyrene solution. A barely noticeable cone emanated from the needle, and the same "cotton-wool formation in the air" that had been observed the day before appeared again. Adding 30% PVDF to the polystyrene did not prevent fiber formation.

The coating on the collector was uneven. This was most likely due to my use of the highest flow rate allowed by the syringe pump. Fibers were clearly visible under the microscope, and their diameter was significantly smaller than in the previous experiment.

While reviewing the edited video, I noticed a corona discharge emanating from the tip of the needle and from the fibers as they formed. The discharge was occasionally visible, despite the bright lighting.

I immediately proceeded to the next experiment. I mixed 1.020 g of a 13.6% polystyrene solution in DMF with 2.120 g of a 10.1% PVDF solution in DMF. The resulting mixture contained 60.7% PVDF and 39.3% polystyrene by weight. Despite the fact that the PVDF content exceeded that of polystyrene, electrospinning produced a material similar to that obtained previously. The resulting coating was white, uneven, and composed of microscopic fibers.

Photos/Video

Электроспиннинг: раствор полистирола и поливинилиденфторида в диметилформамиде - Часть 26

Несмотря на усталость, придя домой, я продолжил думать про недавний эксперимент. Сначала вспоминал и анализировал события, произошедшие в первый день нового года, потом незаметно для себя перешел к планированию будущей работы. Электроспиннинг полистирола в DMF дал хороший результат, что стало приятной неожиданностью. Логичным было бы предположить, что причина - высокая электропроводность DMF, однако электроспиннинг раствора PVDF в DMF не привел к образованию волокон. Вернее, коллега-физик смог получить волокна PVDF электроспиннингом аналогичного раствора, а мои эксперименты оказались неудачными. Сейчас коллега продолжает болеть и вернется к работе еще нескоро.

Возникла идея смешать растворы полистирола и PVDF в DMF. В первом эксперименте полистирол будет в избытке. Если при электроспиннинге данного раствора образуются волокна, долю PVDF в смеси можно увеличивать от эксперимента к эксперименту - до тех пор, пока волокна не прекратят формироваться.

На следующий день пришел в лабораторию, взвесил 2.025 г 13.6% раствора полистирола в DMF и 1.165 г 10.1% раствора PVDF в DMF. Смешал растворы, жидкость стала мутной. Полученная смесь содержала 30% PVDF и 70% полистирола (по весу).

Коллега-химик утверждал, что растворы полимеров после приготовление (или смешивания) должны постоять сутки для установления равновесия. В противном случае, результаты эксперимента могут быть неудовлетворительными или невоспроизводимыми. Сначала я ему не поверил, решив, что он придумал очередной повод, чтобы отложить работу. Позже я убедился, что диффузия в вязких растворах, содержащих длинные макромолекулы полимеров, может происходить очень медленно. Даже интенсивное перемешивание не всегда помогает.

Как бы то ни было, в этот раз я не стал ждать - сразу же набрал мутную жидкость в шприц и начал электроспиннинг. Я надеялся, что будут формироваться волокна, однако добавка PVDF к полистиролу могла помешать этому процессу, например, вызвать образование аэрозоля.

Опасения оказались напрасными. Визуально эксперимент был похож предыдущий эксперимент с чистым раствором полистирола. Наблюдался едва заметный конус, исходящий от иглы, происходило "образование ваты в воздухе", которые имели место за день до этого. Добавка 30% PVDF к полистиролу не препятствовала формированию волокон.

Покрытие на коллекторе получилось неравномерным. Вероятно, причина состояла в том, что я использовал самую высокую скорость подачи раствора, которую позволял шприцевой насос. Под микроскопом были видны волокна, их диаметр был существенно меньше, чем в прошлом эксперименте.

Уже во время просмотра смонтированного видео обнаружил коронарный разряд, который исходил от кончика иглы и от нитей в процессе их формирования. Время от времени разряд был виден, несмотря на яркое освещение.

Сразу же начал следующий эксперимент. Смешал 1.020 г 13.6% раствора полистирола в DMF и 2.120 г 10.1 % раствора PVDF в DMF. Смесь содержала 60.7% PVDF и 39.3% полистирола. Несмотря на то, что содержание PVDF превышала содержание полистирола, в результате электроспиннинга образовался материал, похожий на предыдущий. Было получено белое, неравномерное покрытие, состоящее из микроскопических волокон.

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

Electrospinning: Solutions of Polystyrene and Polyvinylidene Difluoride in Dimethylformamide - Part 27
Электроспиннинг: раствор полистирола и поливинилендифторида в диметилформамиде - Часть 27

Over the next few days, I experimented with pure polystyrene solutions at higher concentrations, which I will discuss later. About a week later, I returned to the co-electrospinning of PVDF with polystyrene. This time, I planned to use a solution containing significantly more PVDF than polystyrene. Since a pure PVDF solution did not form fibers under our experimental conditions, it was logical to assume that, as the polystyrene content decreased, a mixture of the polymer solutions would eventually cease to produce fibrous material during electrospinning.

I mixed 0.175 g of a 28.9% polystyrene solution in DMF with 1.955 g of a 10.1% PVDF solution in DMF. The resulting polymer composition was 79.6% PVDF and 20.4% polystyrene. I then began electrospinning.

A transparent, barely visible cone formed above the needle, consisting of either aerosol particles or jets of solution forming fibers. White dendritic structures, reminiscent of plant roots, extended from the collector toward the needle. This appearance closely resembled the electrospinning of a pure PVDF solution, which had not produced fibrous material.

A significant difference, however, was that part of the collector became covered with a sparse "web" of fibers. Nevertheless, no continuous fibrous layer formed. This time, I could only dream of the "formation of cotton wool in the air" observed in previous experiments. Even with the naked eye, white "sand grains," representing solidified aerosol particles, were visible. Under a microscope, both fibers and numerous solidified aerosol particles could be observed. These were unevenly distributed: fibrous regions alternated with areas covered predominantly by solidified aerosol.

Thus, electrospinning a polystyrene-PVDF mixture containing approximately 80% PVDF did not result in the formation of a desirable fibrous material. The electrospinning of PVDF and PVDF-rich polymer compositions likely requires a higher voltage. In our particular case, this would mean upgrading the setup with a new power source - either by repurposing another computer monitor or by constructing a voltage multiplier. This, however, will require waiting for the physicist to recover and return to work.

Photos

Электроспиннинг: раствор полистирола и поливинилендифторида в диметилформамиде - Часть 27

Следующие несколько дней я занимался экспериментами с растворами чистого полистирола, которые имели более высокие концентрации, про них я расскажу чуть позже. Примерно через неделю снова вернулся к совместному электроспиннингу поливинилиденфторида с полистиролом. Я планировал использовать для эксперимента раствор, содержащий значительно больше PVDF, чем полистирола. Поскольку раствор чистого PVDF в условиях нашего эксперимента не образовывал волокон, логично было предположить, что смесь растворов полимеров также перестанет давать волокнистый материал в процессе электроспиннинга, когда содержание полистирола будет уменьшено ниже определенного предела.

Смешал 0.175 г 28.9% раствора полистирола в DMF и 1.955 г 10.1% раствора PVDF в DMF. Соотношение полимеров составляло 79.6% PVDF и 20.4% полистирола. Начал электроспиннинг.

Над иглой образовался прозрачный, едва видимый конус, который мог состоять, как из частиц аэрозоля, так их струй раствора, которые образуют волокна. От коллектора к игле потянулись белые дендриты, похожие на корни растений. Примерно так выглядел электроспиннинг чистого раствора PVDF, который не привел к образованию волокнистого материала.

Существенным отличием было то, что часть коллектора покрылась "паутинкой" волокон. Однако сплошного волокнистого слоя на коллекторе не образовалось. В этот раз, можно было только мечтать про "формирование ваты в воздухе", которое наблюдалось в предыдущих экспериментах. Даже невооруженным глазом были видны белые "песчинки", которые представляли собой застывшие частички аэрозоля. Под микроскопом наблюдались волокна и многочисленные застывшие частицы аэрозоля. Распределены они были неравномерно - волокнистые участки соседствовали с участками, покрытыми застывшим аэрозолем.

Таким образом, электроспиннинг смеси полистирола и PVDF, содержащей ~80% PVDF не привел к образованию волокнистого материала. Вероятно, для электроспиннинга PVDF и богатых PVDF полимерных композиций требуется более высокое напряжение. В конкретном случае это означает, что необходим новый источник электрического питания для установки - следует переоборудовать другой компьютерный монитор или изготовить умножитель напряжения. Придется ждать, пока коллега-физик выздоровеет и вернется к работе.