Electrospinning - Chemistry and Chemists № 1 2026

Dissolving Expanded Polystyrene in Hexane: What Could Go Wrong? - Part 9
Растворение вспененного полистирола в гексане: что может пойти не так? - Часть 9

Electrospun polystyrene was successfully produced using two solvents: an acetone substitute sold under the brand name "Acetone+" and ethyl acetate. In the first case, fiber production proceeded smoothly, but the exact composition of the solvent was unknown, and there were concerns that it might vary significantly from batch to batch. In the second case, the solvent was a pure compound, but a problem arose during electrospinning: a large amount of polystyrene solution in ethyl acetate was splashed onto the collector.

It therefore seemed logical to use a different solvent for polystyrene - one with a lower boiling point than ethyl acetate. I recalled that many years ago I had dissolved expanded polystyrene in acetone and hexane [1]. Given the difficulty of purchasing acetone, I decided to try hexane. A quick check revealed that I did not have this solvent in the lab, so I would need to obtain it.

Then another thought occurred to me: hexane has a boiling point of 69 °C. Petroleum ether would be an even better solvent choice. Despite its name, petroleum ether is not an ether but a petroleum distillate whose boiling point can vary widely. However, I easily found a product on sale with a boiling range of 40-60 °C. I decided to consult the chemist colleague. He said that purchasing petroleum ether would take time, but that he already had hexane. So he simply gave me a bottle of it.

I weighed out 10.120 g of hexane and 2.560 g of expanded polystyrene (polystyrene foam), aiming to prepare an approximately 20 % solution of polystyrene in hexane. Incidentally, the solvent was 24 years old - I had just graduated from high school in the year it was produced.

I dropped a piece of expanded polystyrene into a weighing bottle containing hexane, expecting a vigorous release of gas and the rapid disappearance of the polymer, as I had observed many years earlier. However, nothing happened. I added another piece of polystyrene foam and pressed it with my finger, but no polymer dissolved - it was as if I had dipped the expanded polystyrene into water.

This result was puzzling. In my earlier experiments, expanded polystyrene had dissolved quickly in both hexane and acetone. Pouring one of these solvents onto a large piece of expanded polystyrene had produced a wide, deep "crater" in it. My first thought was that the bottle did not actually contain hexane. The liquid had a typical hydrocarbon odor, but it did not dissolve polystyrene, which is itself a hydrocarbon. Perhaps it was not hexane, but isoamyl alcohol?

I had worked extensively with isoamyl alcohol in the past. This substance is used in the analysis of fat content in dairy products. Isoamyl alcohol is also a major component of fusel oils, which are formed as byproducts of ethanol production and are present in low-quality alcoholic beverages, causing significant harm to consumers' health. I remembered that isoamyl alcohol has a sharp, unpleasant odor, but since I had last worked with it many years ago, I could not confidently identify it by smell alone.

Unlike hexane and other hydrocarbons, isoamyl alcohol is partially soluble in water. I pipetted a small amount of the suspect liquid into a beaker of water. It appeared that the first drops dissolved, while subsequent ones formed a surface layer of organic liquid. At first, the incomplete dissolution puzzled me. Then I remembered that butyl and isoamyl alcohols have limited solubility in water; in particular, the solubility of isoamyl alcohol is only about 25-28 g/L.

To summarize: the liquid had a hydrocarbon-like odor, was poorly soluble in water, and did not dissolve polystyrene. I therefore concluded that the bottle contained isoamyl alcohol - or a similar alcohol - rather than hexane.

I went to my colleague and asked:

"Do you have isoamyl alcohol?"

"No."

"You already do!"

I explained my observations. My colleague was upset and promised to find another bottle of hexane.

A little later, I suddenly remembered that I had hexane at home - in the kitchen. Why would I keep hexane in the kitchen? There was a period when I was unemployed and had no access to a laboratory, but I still wanted to make chemistry videos. I had to perform and film experiments in the kitchen, just as I had done during my school years.

One of those experiments was particularly spectacular - and dangerous. I decided to test what would happen if I took a 220 V incandescent lamp, carefully removed the glass bulb without breaking the electrical connection, immersed the filament in hexane, and then turned on the power. Hexane is highly flammable, and the filament of an incandescent lamp reaches a very high temperature, so many people would expect a violent flash and an uncontrollable kitchen fire.

However, I predicted a different outcome. Early incandescent lamps were vacuum lamps; later, bulbs were filled with rarefied argon or mixtures of xenon and krypton to reduce tungsten evaporation and extend lamp life (or to allow higher filament temperatures at the same lifetime). I planned to immerse the filament in hexane. Liquids have much higher thermal conductivity than gases, so a filament immersed in hexane would not heat up significantly. Moreover, the hexane near the filament would not ignite, because it would not be exposed to air.

I poured hexane into a small beaker, immersed the filament, and turned on the power. No visible changes occurred. I did not even observe boiling near the filament. Then, without turning off the power, I deliberately raised the filament above the surface of the hexane. Upon exposure to air, the filament quickly heated up and ignited the hexane - exactly as I had expected. Unfortunately, I accidentally knocked over the beaker of burning hexane, spilling it across the chair on which it stood. An uncontrolled fire did occur. I calmly unplugged the lamp and covered the flames with a kitchen towel, extinguishing the fire.

When I returned home, I found a bottle containing a small amount of hexane. The next day, I brought it to the lab and repeated the experiment with expanded polystyrene. The result was the same as before: there was no sign of dissolution. The expanded polystyrene showed no visible change, and no trapped gas was released. I distinctly remembered using hexane from this very bottle in earlier experiments, where it had readily dissolved expanded polystyrene and produced large "craters."

I then compared the odor of the liquid from my colleague's bottle with that of the hexane I had brought from home. The smells were identical, confirming that the first bottle did indeed contain hexane and not isoamyl alcohol.

How, then, could I explain the apparent partial dissolution of the first drops in water? Most likely, the initial drops of hexane spread across the water surface, forming a thin film that I failed to notice. A narrow test tube would have been more suitable than a beaker for this test.

At that point, my colleague arrived with two additional bottles of hexane from different batches. I explained my findings and apologized for questioning the authenticity of his solvent. He replied that polystyrene is poorly soluble in linear hydrocarbons such as hexane, but highly soluble in cyclic hydrocarbons - particularly aromatic hydrocarbons like toluene.

Unfortunately, we did not have any toluene. Purchasing it is problematic, as in our country it is subject to the same strict restrictions as acetone. I checked a reference book and found that toluene's boiling point is 110.6 °C - too high for my purposes. Even if it had been available, it would not have been suitable. Later, the physicist colleague confirmed from personal experience that toluene evaporates rather slowly.

What other solvent could I use instead of ethyl acetate? I had a small amount of benzene, but since it is a known carcinogen, I was reluctant to use it. The chemist colleague suggested dissolving the expanded polystyrene in dichloroethane or methylene chloride - both of which he had. I replied that I did not have a "spare liver": such organochlorine solvents are well known for their harmful effects on health.

Thus, the question of which solvent to use for dissolving polystyrene remained open.

Another question also remained unanswered. Why had hexane from the same bottle dissolved expanded polystyrene many years ago, but failed to do so in my current experiments?

The properties of polymers depend strongly on their molecular weight, which is determined by the degree of polymerization - the average number of monomer units in a macromolecule. In general, the higher the molecular weight of a polymer, the lower its solubility in organic solvents.

The polystyrene I used many years ago likely had a lower degree of polymerization than the material used for electrospinning.

In addition, the spatial structure of the polymer is important. A styrene molecule, when polymerizing, forms bonds with two neighboring styrene units. Through any two geometric points, only one straight line can be drawn; accordingly, polystyrene molecules have a linear structure, similar to polyethylene, polypropylene, or polyacrylamide. These chains can bend, twist, and coil into three-dimensional conformations, but there are no chemical bonds between adjacent macromolecules.

Some monomers, such as the styrene analogue divinylbenzene, can form not two, but three or more chemical bonds with other molecules. As a result, copolymerization of styrene with divinylbenzene leads to the formation of cross-links between macromolecules. Linear chains become interconnected into a three-dimensional network. If the number of cross-links is sufficiently high, the polymer loses its ability to dissolve.

__________________________________________________
¹ The article: Expanded Polystyrene and Organic Solvents / Пенопласт и органические растворители [link].

Photos/Video

Растворение вспененного полистирола в гексане: что может пойти не так? - Часть 9

Электроспиннинговый полистирол удалось успешно получить, используя два растворителя: заменитель ацетона, который продается под маркой "Ацетон +", и этилацетат. В первом случае процесс получения волокон протекал хорошо, однако точный состав растворителя был неизвестен, и существовали опасения, что он может существенно меняться от партии к партии. Во втором случае растворитель представлял собой индивидуальное вещество, однако, в процессе электроспиннинга возникла проблема - на коллектор попадало много брызг раствора полистирола в этилацетате.

Было логично использовать для полистирола другой растворитель с более низкой температурой кипения, чем этилацетат. Я вспомнил, что много лет назад растворял пенополистирол (пенопласт) в ацетоне и гексане [1]. Учитывая труднодоступность ацетона, я решил использовать гексан. Поиск показал, что у меня в лаборатории нет данного растворителя - придется его покупать.

Потом я подумал: гексан имеет температуру кипения 69°C. Лучше использовать в качестве растворителя для полистирола не гексан, а петролейный эфир. Несмотря на название, петролейный эфир является не простым эфиром, а продуктом перегонки нефти, точка кипения которого может сильно варьироваться. Однако, я без труда нашел в продаже продукт с точкой кипения в интервале 40-60°C. Решил проконсультироваться у коллеги-химика. Он сказал, что покупка петролейного эфира займет время, зато у него есть гексан. Поэтому он просто дал мне бутылку с гексаном.

Взвесил 10.120 г гексана и 2.560 г пенополистирола, намериваясь получить приблизительно 20% раствор полистирола в гексане. Растворитель, кстати был 24 летней давности; в год его производства я как раз закончил школу.

Опустил кусок пенополистирола в бюкс с гексаном, ожидая бурного выделения газа и быстрого исчезновения вспененного полистирола, как это я наблюдал много лет назад. Однако, ничего не произошло. Добавил еще один кусок пенополистирола, надавил сверху пальцем, однако, растворения полимера не наблюдалось, словно я опустил пенополистирол в воду...

Но ведь в моих прошлых экспериментах пенополистирол быстро растворялся в гексане и ацетоне! Я лил один из этих растворителей на большой кусок пенополистирола, в результате в нем образовывался широкий и глубокий "кратер". Первой моей мыслью было, что в бутылке находился НЕ гексан. Растворитель имел запах, типичный для углеводородов, но в нем не растворялся полистирол, который также является углеводородом. Возможно, это был не гексан, а изоамиловый спирт?

В прошлом я много работал с изоамиловым спиртом. Данное вещество используется для анализа содержания жиров в молочных продуктах. Также изоамиловый спирт является одним из основных компонентов сивушных масел, которые образуются в качестве побочного продукта производства этилового спирта и присутствуют в некачественных алкогольных напитках, принося большой вред здоровью людей, которые их употребляют. Я помнил, что изоамиловый спирт имеет резкий, неприятный запах, но я работал с данным веществом много лет назад, поэтому не мог с уверенностью распознать изоамиловый спирт по запаху.

В отличие от гексана и других углеводородов, изоамиловый спирт растворяется в воде. Набрал в пипетку небольшое количество жидкости из бюкса с вероятным изоамиловым спиртом и добавил ее в стакан с водой. Мне показалось, что первые капли жидкости растворились в воде, а следующие образовали верхний слой органической жидкости. То, что исследуемая жидкость не полностью растворилась в воде, сначала меня смутило. Потом я вспомнил, что бутиловый и изоамиловый спирт растворяются в воде ограничено. В частности, растворимость изоамилового спирта составляет 25-28 g/L.

Подытожим: жидкость имела углеводородный запах, плохо растворялась в воде и не растворяла полистирол. Значит, в бутылке был не гексан, а изоамиловый спирт (или другой аналогичный спирт).

Пошел к коллеге-химику. Спросил:

"У тебя есть изоамиловый спирт?"

"Нет."

"Уже - есть!"

Рассказал ему про свои результаты. Коллега расстроился и пообещал найти другую бутылку гексана. Чуть позже я вспомнил, что гексан был у меня дома... на кухне. Зачем я хранил гексан на кухне? Был период, когда я был без работы и не имел доступа к лаборатории, но хотел снимать химические видео. Эксперименты приходилось ставить и снимать на кухне - прямо, как в школьные годы.

В частности, с гексаном я провел эффектный, хотя и опасный эксперимент. Решил проверить, что произойдет, если взять лампу накаливания, рассчитанную на напряжение 220 В, аккуратно удались с лампы колбу, не нарушив электрический контакт, погрузить спираль накаливания в гексан и включить электрический ток. Гексан - легковоспламеняющаяся жидкость, а спираль лампы накаливания нагревается до высокой температуры, поэтому многие люди ожидали бы сильной вспышки, которая могла перейти в неконтролируемый пожар на кухне.

Однако, я прогнозировал другой результат. Первые лампы накаливания были вакуумными - их спираль находилась в вакууме, позже колбы ламп стали заполнять разреженным аргоном или смесью ксенона и криптона, чтобы уменьшить испарение вольфрама и продлить срок жизни лампы (или увеличить температуру спирали при одинаковом сроке жизни лампы). Я планировал погрузить спираль накаливания лампы в гексан. Жидкости имеют значительно большую теплопроводность, чем газы. Поэтому спираль, погруженная в гексан, не будет сильно нагреваться. Кроме того, разогрев гексана возле спирали не вызовет его вспышки, поскольку в этом месте гексан не контактирует с воздухом.

Налил в небольшой стакан гексан, погрузил в него спираль лампы накаливания, включил ток. Никаких видимых изменений не произошло. Не наблюдалось даже кипения жидкости возле спирали. Тогда я сознательно поднял спираль выше поверхности гексана, не выключив ток. Попав на воздух, спираль вскоре раскалилась и подожгла гексан - как я и ожидал. Однако, я случайно перекинул стакан с горящим гексаном, жидкость растеклась по стулу, на котором находился стакан. Неконтролируемое горение таки произошло. Я спокойно выключил электричество (выдернул вилку из розетки) и накрыл пламя кухонным полотенцем - горение прекратилось.

Вернувшись домой, нашел бутылку с небольшим количеством гексана. На следующий день принес ее в лабораторию и повторил попытку растворить пенополистирол. Результат был таким же, как и в прошлый раз - признаки растворения полистирола в гексане отсутствовали! Пенополистирол внешне не изменялся, газ, заключенный в материале, не выделялся. Точно помнил, что для экспериментов с пенополистиролом много лет назад я использовал гексан именно из ЭТОЙ бутылки. При попадании растворителя на пенополистирол в нем образовался большой "кратер". Теперь этот же гексан совсем не растворял пенополистирол.

Сравнил запах жидкости из бутылки, которую мне дал коллега, и запах гексана, который я принес с дома. Запахи были идентичны, значит, в первой бутылке был не изоамиловый спирт, а гексан.

А как объяснить, что небольшие количества жидкости из первой бутылки растворились в воде? По-видимому, первые капли гексана растеклись по поверхности воды тонким слоем, который я не смог рассмотреть. Вместо стакана для данного теста следовало использовать узкую пробирку.

В этот момент пришел коллега, принес еще две бутылки гексана из разных партий. Я рассказал ему о своих результатах и извинился, что я усомнился в подлинности его гексана. Коллега ответил, что полистирол плохо растворяется в линейных углеводородах (вроде гексана), зато он хорошо растворяется в циклических углеводородах, в частности, в ароматических углеводородах, например, в толуоле.

Толуола, к сожалению, у нас не было, а купить данное вещество проблематично, поскольку в нашей стране толуол находиться под такими же строгими ограничениями, как и ацетон. Посмотрел справочник, температура кипения толуола оказалась слишком высокой, 110.6°C. Толуол не подходил, даже, если бы данный растворитель был легкодоступным. Позже коллега-физик по собственному опыту подтвердил, что толуол испаряется сравнительно тяжело.

Чем еще можно заменить этилацетат? У меня было небольшое количество бензола, однако данное вещество является известным канцерогеном, поэтому использовать его я не спешил. Коллега-химик предложил использовать для растворения пенополистирола дихлорэтан или хлористый метилен - данные растворители у него были. Однако, я ответил, что у меня нету "запасной печени" - такие хлорорганические растворители известны своим разрушительным действием на здоровье.

Вопрос, в чем растворить полистирол, остался открытым.

Без ответа остался еще один вопрос. Почему гексан, взятый из одной и той же бутылки, растворил пенополистирол в эксперименте, проведенном много лет назад, но совершенно не растворил пенополистирол в моем нынешнем эксперименте?

Свойства полимеров зависят от их молекулярной массы, которая определяется степенью полимеризации - средним количеством молекул мономера, объединившихся в одну макромолекулу. Обычно, чем больше молекулярная масса полимера, тем ниже его растворимость в органических растворителях.

Вероятно, полистирол, который я растворил много лет назад, имел более низкую степень полимеризации, чем полистирол, который был использован для электроспиннинга.

Кроме того, имеет значение пространственная структура полимера. Молекула стирола, объединяясь в полимерную цепь, образует связи с двумя другими молекулами стирола. Через две геометрические точки можно провести прямую, причем, только одну. Следовательно, молекула полимера - полистирола - имеет линейную структуру, аналогично полиэтилену, полипропилену или полиакриламиду. Такие линии могут изгибаться, закручиваться, сворачиваться в клубки, образуя трехмерные структуры, однако химических связей между соседними макромолекулами нет.

Некоторые мономеры, например аналог стирола дивинилбензол, могут образовывать с другими молекулами не две, а три или более химические связи. В результате добавка дивинилбензола к стиролу с последующей полимеризацией приводит к образованию поперечных связей между разными макромолекулами. Происходит "сшивка" макромолекул. Линейные молекулы объединяются в трехмерную пространственную структуру. Если количество поперечных связей достаточно, такой полимер теряет способность растворяться.