Electrospinning: Solution of Polystyrene in Dimethyl Sulfoxide - Part 31
Электроспиннинг: раствор полистирола в диметилсульфоксиде - Часть 31

Despite the relatively high boiling point of the solvent, polystyrene solutions in DMF turned out to be excellent for electrospinning. A plausible explanation for this result is the relatively high electrical conductivity of DMF. Another liquid capable of dissolving polystyrene - dimethyl sulfoxide (DMSO) - has even higher electrical conductivity.

Unfortunately, DMSO has an even higher boiling point than DMF (189°C and 153°C, respectively). In addition, I found in literature that polystyrene dissolves more slowly in DMSO than, for example, in dichloromethane or tetrahydrofuran.

Despite these drawbacks, I decided to try electrospinning a polystyrene solution in DMSO. I had greatly enjoyed my recent experiments with polystyrene solutions in DMF - not only from a scientific standpoint, but also from an aesthetic one - and I hoped that using DMSO might yield even better results.

When my chemist colleague learned that I was planning to use dimethyl sulfoxide, he practically started yelling at me:

"DMSO penetrates the skin very easily - you'll poison yourself!"

My colleague is usually calm; this reaction was unusual for him. I replied calmly:

"DMSO is a non-toxic solvent; it's widely used in medicine."

"If something toxic is dissolved in it, DMSO will carry the poison through your skin!"

"Polystyrene is non-toxic; there are no other substances in the solution."

"But what if the solvent contains..."

"Or maybe an asteroid will hit our lab in a minute. Please don't get on my nerves."

I weighed out 5.050 g of DMSO and 0.720 g of expanded polystyrene and added several pieces of the polymer to the solvent. No gas evolution or other visible signs of dissolution were observed. In acetone, expanded polystyrene rapidly loses gas and shrinks in volume, even though it does not dissolve. In contrast, with dimethyl sulfoxide, no external changes were apparent.

I sealed the weighing bottle and left it overnight. In the morning, I found that some of the DMSO had leaked out of the bottle, but the expanded polystyrene had not dissolved. The solvent had an unpleasant odor, reminiscent of radish or garlic. I enjoy both radish and garlic, but the smell of DMSO was frankly nauseating. Chemically pure DMSO is odorless; the unpleasant smell is caused by the presence of dimethyl sulfide (DMS). Many organic sulfur compounds have extremely unpleasant odors.

According to the literature, after ingestion of DMSO, a person's breath and skin may acquire a similar odor, which is caused by the reduction of DMSO to DMS during metabolism.

The solubility of a polymer strongly depends on its molecular weight, so it did not surprise me that the expanded polystyrene failed to dissolve in DMSO. I had long suspected that the polystyrene sample used in my experiments had a high molecular weight.

I heated the mixture of expanded polystyrene and DMSO in a boiling water bath. To my delight, the polystyrene dissolved. I added additional pieces of expanded polystyrene. At first, the polymer continued to dissolve, but eventually the process stopped - I was unable to dissolve all of the weighed material. As I was conducting other experiments at the same time, I was unable to film the process.

After removing the weighing bottle from the water bath and allowing it to cool to room temperature, the undissolved polystyrene formed a hard lump. I drew the liquid phase into a syringe and mounted it in the setup. Concerned about incomplete evaporation of DMSO during electrospinning, I placed a heater near the setup. I then turned on the high voltage and the solution supply.

It quickly became apparent that, instead of a solid fibrous material, the collector was being coated with liquid. The solvent did not evaporate completely during electrospinning. I stopped the process and examined the collector under a microscope. No fibers were observed, and I nearly smeared the microscope objective with the liquid coating the electrode.

I considered reheating the syringe containing the solution in a water bath and continuing electrospinning, but the power unexpectedly went out. I had to pack up in the dark and go home.

The next day, I decided not to continue the experiment. After heating in a water bath, the small 2 ml syringe would have cooled rapidly, and the collector would once again have been coated with liquid rather than polystyrene fibers. Electrospinning of a polystyrene solution in DMSO had clearly failed, although some of the solution remained.

I decided to perform a simple chemical demonstration. Dimethyl sulfoxide is highly soluble in water, whereas polystyrene is insoluble. Therefore, when a solution of polystyrene in DMSO is poured into water, the polystyrene should precipitate, forming a white suspension.

When I poured the solution into a glass of water and stirred it, the water remained clear. A few tiny pieces of polystyrene were floating in the glass, but they could have been carried in with the liquid.

Conclusion: dimethyl sulfoxide contained little or no dissolved polystyrene at room temperature. The polymer that dissolved upon heating precipitated as a solid phase when the solution cooled.

It turned out that I had been attempting to electrospin… the pure solvent.

Photos

Электроспиннинг: раствор полистирола в диметилсульфоксиде - Часть 31

Несмотря на сравнительно высокую температуру кипения растворителя, растворы полистирола в DMF прекрасно подошли для электроспиннинга. Логичное объяснение такому результату - сравнительно высокая электропроводность DMF. Еще большую электропроводность имеет другая жидкость, способная растворять полистирол, - диметилсульфоксид (DMSO).

К сожалению, DMSO имеет еще более высокую температуру кипения, чем DMF (189 и 153°C, соответственно). Кроме того, я нашел в литературе, что растворение полистирола в DMSO происходит медленнее по сравнению, например, с дихлорметаном и тетрагидрофураном.

Несмотря на приведенные негативные аспекты DMSO, я решил попробовать электроспиннинг раствора полистирола в DMSO. Недавние эксперименты с раствором полистирола в DMF мне очень понравились - не только с научной точки зрения, но и с эстетической, и я надеялся, что использование DMSO позволит получить еще лучшие результаты.

Узнав, что я собираюсь использовать диметилсульфоксид, коллега-химик, буквально стал на меня кричать:

- DMSO легко проникает через кожу - ты отравишься!

Коллега обычно ведет себя спокойно, такое поведение для него нехарактерно. Я спокойно ответил:

- DMSO нетоксичный растворитель, он широко используется в медицине.

- Если в нем растворено что-то токсичное, DMSO помогает яду проникнуть сквозь кожу!

- Полистирол нетоксичный, других веществ в растворе нет.

- А, может быть, в растворителе содержится...

- А может быть, через минуту на нашу лабораторию упадет астероид. Не выноси мне мозги, пожалуйста.

Итак, я взвесил 5.050 г DMSO и 0.720 г пенополистирола. Добавил в растворитель несколько кусочков полистирола. Выделения газа и других признаков растворения пенополистирола не наблюдалось. В случае ацетона пенополистирол терял газ и резко уменьшался в объеме, хоть и не растворялся. Зато в случае диметилсульфоксида никаких внешних изменений не наблюдалось.

Закрыл бюкс и оставил на ночь. Утром обнаружил, что часть DMSO вылилась из бюкса, зато пенополистирол не растворился. Растворитель неприятно пах, распространяя "аромат", похожий на запах редьки или чеснока. И редьку, и чеснок я люблю, но от запаха DMSO откровенно тошнило. Химически чистый DMSO не имеет запаха, неприятный запах обусловлен примесью диметилсульфида (DMS). Многие органические производные серы пахнут очень неприятно.

Согласно литературе, после употребления DMSO дыхание и кожа человека приобретает точно такой же неприятный запах, который возникает за счет восстановления DMSO до DMS в процессе метаболизма.

Растворимость полимера зависит от его молекулярной массы. Поэтому для меня не стало неожиданностью, что пенополистирол не растворился в DMSO. Я давно уже подозреваю, что используемый мною для экспериментов образец полистирола имеет высокую молекулярную массу.

Нагрел бюкс с пенополистиролом и DMSO на кипящей водяной бане. К моей радости, пенополистирол растворился. Добавлял новые кусочки пенополистирола. Сначала полимер растворялся, но потом процесс растворения прекратился - я не смог растворить весь взвешенный пенополистирол. Параллельно делал другие эксперименты, поэтому не смог заснять процесс на видео.

Вынул бюкс с водяной бани, дал ему остыть до комнатной температуры. Нерастворившийся полистирол образовал твердый комок. Набрал раствор в шприц, закрепил его в установке. Поскольку я опасался неполного испарения DMSO в процессе электроспиннинга, близко к установке поместил обогреватель. Включил высокое напряжение и подачу растворителя.

Вскоре обнаружил, что вместо твердого волокнистого материала коллектор покрывается жидкостью. Растворитель не полностью испаряется в процессе электроспиннинга. Остановил процесс, исследовал коллектор под микроскопом - волокон не обнаружил, зато чуть не вымазал объектив жидкостью, покрывающей электрод.

Хотел нагреть шприц с раствором на водяной бане и продолжить электроспиннинг. Неожиданно отключили электричество - пришлось собираться в темноте и идти домой.

На следующий день я передумал продолжать эксперимент, поскольку после нагрева на бане маленький 2 мл шприц с нагретым раствором быстро остынет. В результате, вместо волокон полистирола коллектор покроет жидкость. Электроспиннинг раствора полистирола в DMSO не получился, но немного раствора осталось.

Решил провести химическую демонстрацию. Диметилсульфоксид хорошо растворим в воде, полистирол - нерастворим. Следовательно, если вылить в воду раствор полистирола в DMSO, полистирол перейдет в твердую фазу и образует белую суспензию.

Когда я вылил раствор в стакан с водой и перемешал содержимое, вода осталась прозрачной. В стакане плавало несколько крохотных кусочков полистирола, но они могли туда попасть вместе с жидкостью.

Вывод: диметилсульфоксид не содержал (или почти не содержал) растворенного полистирола. Полимер, который растворился при нагревании на водяной бане, перешел в твердую фазу при охлаждении раствора.

Оказалось, что я пытался осуществить электроспиннинг... чистого растворителя.

Electrospinning: Polyvinyl Chloride - Part 32
Электроспиннинг: поливинилхлорид - Часть 32

Along with polystyrene and polymethyl methacrylate, I experimented with another widely used synthetic polymer: polyvinyl chloride (PVC). One day, some customers gave our lab an entire bag of PVC powder. It was waste generated during the processing of this plastic on industrial machines. I initially wanted to throw the bag away, but a colleague convinced me to keep a jar of the PVC powder in case we ever wanted to prepare pyrotechnic compositions that burn with a colored flame.

Several years have passed since then, and I no longer have the time or energy to pursue pyrotechnics. Nor is my enthusiasm what it was in my youth. However, I remembered this powder when I needed to prepare a PVC solution for electrospinning.

I weighed 11.550 g of methylene chloride and 1.635 g of PVC powder, placed them in a bottle, stirred the mixture, and sealed the bottle tightly. Several days passed, but the polymer only swelled and did not dissolve.

The same colleague suggested using PVC insulation stripped from electrical wires instead of the polymer waste powder, as we had begun to doubt whether the powder was truly polyvinyl chloride. I also decided to change the solvent.

I weighed approximately 5 g of DMF and 5 g of THF and placed about 0.5 g of PVC-insulated wire into each solvent. I weighed the wires without separating the polymer from the metal core. My plan was to remove the wires after the PVC had dissolved and weigh them again to determine the exact mass of the dissolved polymer.

The PVC placed in THF swelled quickly and gradually began to dissolve. The dye contained in the insulation turned the solution a bright crimson color.

The PVC placed in DMF swelled and dissolved more slowly.

I removed the metal cores from the bottles and weighed them. In both cases, the metal weighed approximately 0.1 g, meaning that the PVC portion was about 0.4 g.

The polymer in the bottle containing tetrahydrofuran dissolved first, so I drew the crimson solution into a syringe and began electrospinning. A diffusion cone formed above the needle, with occasional jets of solution visible. At times, a corona discharge could even be observed.

The collector gradually became coated with a pinkish layer. However, judging by its appearance, the coating seemed to consist of solidified aerosol particles rather than polymer fibers. After completing the experiment, I examined the collector surface under a microscope. No fibers were present; the surface was covered with solid aerosol particles.

Meanwhile, the PVC placed in DMF had swelled but had not fully dissolved. I heated the bottle in a boiling water bath, where I had previously heated DMSO and polystyrene. As a result, the PVC dissolved, and the dyes turned the solution brown.

Given the results of the experiments with polystyrene in DMF, I had high hopes for the PVC solution in the same solvent. However, the PVC solution in DMF behaved similarly to the PVC solution in THF. During electrospinning, a diffuse aerosol cone and even a corona discharge were observed, but no fibrous PVC coating formed.

Photos

Электроспиннинг: поливинилхлорид - Часть 32

Одновременно с полистиролом и полиметилметакрилатом, я проводил эксперименты с другим широко распространенным синтетическим полимером - поливинилхлоридом (PVC). Как-то заказчики подарили лаборатории целый мешок с порошком PVC. Это были отходы, которые образовались при обработке данного пластика на станках. Первоначально я хотел этот мешок выкинуть за ненадобностью, но коллега убедил меня набрать банку PVC порошка на случай, если мы захотим сделать пиротехнические составы, которые горят цветным пламенем.

С тех пор прошло уже несколько лет, заниматься пиротехникой не хватает ни времени, ни сил. Да и желание уже не то, что в молодости. Зато я вспомнил про этот порошок, когда надо было получить раствор PVC для электроспиннинга.

Взвесил 11.550 г хлористого метилена и 1.635 г порошка поливинилхлорида, поместил их в бутылочку, перемешал и герметично закрыл. Прошло несколько дней, полимер только набух, но не растворился.

Этот же коллега посоветовал использовать PVC изоляцию электрических проводов вместо порошка отходов данного полимера, поскольку мы стали сомневаться, что этот порошок действительно был поливинилхлоридом. Также я решил сменить растворитель.

Взвесил около 5 г DMF и около 5 г THF. В каждый из растворителей поместил около 0.5 г проводов с изоляцией из PVC. Провода я взвесил, не разделяя полимер и металлическую проволоку. Я планировал извлечь из жидкости проволоку после растворения PVC и взвесить, чтобы рассчитать точную массу растворившегося полимера.

PVC, помещенный в THF, быстро набух и стал постепенно растворяться. При этом краситель, содержащийся в изоляции, окрасил раствор в яркий малиновый цвет.

PVC, помещенный в DMF, набухал и растворялся медленнее.

Извлек металлическую проволоку из бутылочек, взвесил. В обоих случаях вес металла составлял около 0.1 г, значит, вес PVC был около 0.4 г.

В бутылочке с тетрагидрофураном полимер растворился первым, поэтому я набрал малиновый раствор в шприц и начал электроспиннинг. Образовался "диффузный конус" над иглой, время от времени наблюдались струи раствора. Иногда был заметен даже коронарный разряд.

Коллектор постепенно покрывался розовым налетом. Однако, по внешнему виду можно было предположить, что покрытие состояло из затвердевших частиц аэрозоля, а не из волокон полимера. После окончания эксперимента рассмотрел поверхность коллектора под микроскопом. Волокна отсутствовали, поверхность была покрыта твердыми частицами аэрозоля.

Тем временем PVC, помещенный в DMF, набух, но не растворился. Я нагрел бутылочку на кипящей водяной бане, на которой только что грел DMSO и полистирол. В результате PVC растворился, красители окрасили раствор в коричневый цвет.

Учитывая результаты экспериментов с раствором полистирола в DMF, у меня были надежды на раствор PVC в этом же растворителе. Однако, оказалось, что раствор PVC в DMF повел себя аналогично раствору PVC в THF. В процессе электроспиннинга наблюдался диффузный конус аэрозоля и даже коронарный разряд, но покрытие из волокнистого PVC не образовалось.

Комментарии

^К1 Добавлением воды в ацетоновый раствор полистирола, готовят эталоны для гель-проникающей хроматографии: добавили каплю воды, отцентрифугировали, снова добавили и т.д. В результате получается набор образцов полимера с достаточно точно известной молекулярной массой. Ими можно калибровать хроматограф.

^К1-1
Мой напарник (один из трех героев рассказа) предложил, что полистирол можно разогнать по массам на колонке. В ответ я поинтересовался, не ты ли собираешься это сделать? На чем тема как-то заглохла. Много лет назад в другом институте, он делил по молекулярным массам органические вещества природных вод на колонках с сефадексом (реки и озера), но сейчас не хочет ничего делать. С ужасом пытаюсь оценить, насколько моего желания что-то делать хватит?

^К2 Аптечный димексид может содержать влагу.

^К2-1 Это был не аптечный. В свое время я его использовал для эксперимента по свечению люминола, который окислялся воздухом. Добавлял карбид кальция для осушки - выделения ацетилена не наблюдалось.

Link: Luminescence of Luminol [Glowing of Luminol Solution]

Литровая бутылка на фото в двух этих статьях - та же (с разницей в 15 лет):





^К3 Изоляция проводов практически всегда содержит пластификатор. В СССР использовали дибутилфталат. В моей квартире проводка служит лет 40.

А китайцы пластифицируют чем попало, провода или дубеют, или раскисают.

Без пластификатора - винипласт.

^К3-1 Согласно литературе, чистый PVC хрупкий, изоляция - обязана быть пластичной, поэтому наличие пластификатора - само собой разумеется, но я использовал, что было.

[ Electric Arc, Electrical Discharges, Experiments with Electricity (Part 2) ] [ Polymers, Monomers, Natural Polymers, Plastics, Natural products ]

Electrospinning - Discussion on the forum
Experiments with Polymers and Monomers (including natural ones) - Discussion on the forum
[Submit a Comment / Error Message - Отправить Комментарий / Сообщение об ошибке]