Electrospinning - Chemistry and Chemists № 1 2026

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

Dissolving Expanded Polystyrene in Tetrahydrofuran - Part 14
Растворение пенополистирола в тетрагидрофуране - Часть 14

Unlike dichloromethane, tetrahydrofuran has a distinct odor, which I would not call pleasant. Despite the impressive list of adverse health effects described in the medical literature, tetrahydrofuran is considered relatively low in toxicity. Many years ago, I worked with tetrahydrofuran in a different context. A mixture of tetrahydrofuran and acetic anhydride was passed through a thermostatted column containing an acid catalyst - sulfated zirconia (SZ). Oligomerization of tetrahydrofuran occurred on the catalyst. Sulfated zirconia is a solid superacid with extremely strong acid sites (stronger than those of pure sulfuric acid). Consequently, partial charring of tetrahydrofuran occurred simultaneously with oligomerization. In such cases, charring not only reduces the yield of the target product but also leads to rapid catalyst deactivation. As one can see, the prefix "super" does not always mean "better."

In the present experiment, tetrahydrofuran served not as a reagent but as a solvent. In the previous experiment, I prepared a 20% polystyrene solution in methylene chloride, but this concentration proved too high for electrospinning and had to be reduced to 13.9%.

The optimal working concentration of polystyrene in tetrahydrofuran was unknown. Therefore, I decided to prepare a solution with approximately the same concentration as in the previous experiment with methylene chloride (13.9%).

I weighed 10.050 g of tetrahydrofuran and 1.610 g of expanded polystyrene, corresponding to a polystyrene concentration of 13.8%. Large pieces of expanded polystyrene were added to the tetrahydrofuran in a weighing bottle. Gas was released vigorously, and the polystyrene quite literally "melted" before my eyes as it dissolved in the liquid. A cloudy solution formed, in which small pieces of expanded polystyrene floated while continuing to release gas; these, too, soon dissolved.

The process was reminiscent of dissolving expanded polystyrene in dichloromethane, ethyl acetate, and the "Acetone+" solvent. By contrast, this sample did not dissolve in methyl acetate or acetone - only swelling of the polymer was observed. In the case of hexane, no swelling occurred at all: the expanded polystyrene remained unchanged after brief exposure to the solvent.

Photos/Video

Растворение пенополистирола в тетрагидрофуране - Часть 14

В отличие от дихлорметана, запах тетрагидрофурана четко ощущался, причем я бы не назвал его приятным. Несмотря на то, что в медицинской литературе описан внушительный перечень негативных симптомов, которые вызывает тетрагидрофуран, считается, что растворитель имеет низкую токсичность. Много лет назад мне приходилось работать с тетрагидрофураном. Смесь тетрагидрофурана и уксусного ангидрида пропускали через термостатируемую колонку с кислотным катализатором - сульфированным оксидом циркония. На катализаторе происходила олигомеризация тетрагидрофурана. Катализатор представлял собой твердую суперкислоту, которая имела слишком сильные кислотные центры (это более сильная кислота, чем чистая серная кислота). Следовательно, одновременно с олигомеризацией тетрагидрофурана происходило его частичное обугливание. Обугливание в таких случаях обычно означает не только уменьшение выхода целевого продукта, но и быструю деактивацию катализатора. Как видите, приставка "супер" не всегда означает "лучше" .

В нынешнем эксперименте тетрагидрофуран играл роль не реагента, а растворителя. В прошлый раз я приготовил 20% раствор полистирола в хлористом метилене, и данная концентрация оказалась слишком высокой для электроспиннинга. Раствор пришлось разбавить до концентрации 13.9%.

Какая должна быть оптимальная рабочая концентрация полистирола в тетрагидрофуране, было неизвестно. Поэтому я решил приготовить раствор с примерно такой же концентрацией, как и в предыдущем эксперименте с хлористым метиленом (13.9%).

Взвесил 10.050 г тетрагидрофурана и 1.610 г пенополистирола, это соответствовало концентрации полистирола 13.8%. К тетрагидрофурану в бюксе добавлял большие куски пенополистирола. Бурно выделялся газ, полистирол "таял" буквально на глазах, растворяясь в жидкости. Образовался мутный раствор, в котором плавали небольшие кусочки пенополистирола, выделяя газ. Вскоре и они растворились.

Процесс напоминал растворение пенополистирола в дихлорметане, этилацетате и растворителе "Ацетон+". Напомню, что данный образец не растворился в метилацетате и ацетоне - произошло только набухание полистирола. А в случае гексана не наблюдалось даже набухания полимера - при непродолжительном действии растворителя пенополистирол внешне не изменился.

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

Electrospinning: Solution of Polystyrene in Tetrahydrofuran - Part 15
Электроспиннинг: раствор полистирола в тетрагидрофуране - Часть 15

I did not know how a 13.8% polystyrene solution in tetrahydrofuran would behave during electrospinning. I assumed that the process would be similar to electrospinning polystyrene solutions in dichloromethane and the "Acetone+" solvent. Both solvents proved to be quite acceptable options for electrospinning polystyrene, but each has significant drawbacks. Dichloromethane is toxic, and the exact composition of the "Acetone+" solvent is unknown. Therefore, it was advisable to replace these solvents or, at least, to explore alternatives.

I drew the solution into a syringe, secured it in the setup, turned on the high voltage, and started the solution flow. Streams of solution moved from the needle toward the collector and solidified along the way, forming fibers. Some fibers did not detach from the needle and instead formed a "beard" - at first modest, then quite impressive. From time to time, I removed this beard with a long plastic stick, but it kept forming again.

A white coating, resembling cotton wool, formed on the collector. The reverse side of the electrode was also partially coated with fibrous polystyrene.

Because the experiment was similar in appearance to previous ones, I limited the recording of photos and videos. However, examination of the resulting material under a microscope brought an unexpected result. The diameter of the polystyrene fibers obtained from the tetrahydrofuran solution turned out to be much smaller than that of the fibers produced by electrospinning polystyrene solutions in the "Acetone+" solvent. In contrast, fibers obtained from solutions in ethyl acetate and methylene chloride had significantly larger diameters than those formed from the "Acetone+" solvent.

In other words, using tetrahydrofuran for polystyrene electrospinning resulted in fibers with a significantly smaller diameter compared to those obtained with the other solvents tested. The chemist colleague suggested that this might be due to the higher electrical conductivity of tetrahydrofuran compared with the other solvents I had used (or attempted to use) for electrospinning polystyrene. At first, I took his word for it, but then I decided to consult reference data. It turned out that tetrahydrofuran does indeed have higher electrical conductivity than hydrocarbon solvents such as hexane, but its conductivity is still low. Pure tetrahydrofuran is a good insulator and conducts electric current much less effectively than alcohols, acetic acid, or water.

Photos/Video

Электроспиннинг: раствор полистирола в тетрагидрофуране - Часть 15

Как поведет себя раствор полистирола в тетрагидрофуране (13.8%), я не знал. Предполагал, что процесс пройдет аналогично электроспиннингу растворов полистирола в дихлорметане и растворителе "Ацетон+". Оба растворителя оказались вполне приемлемыми вариантами для электроспиннинга полистирола, однако, они имеют существенные недостатки. Дихлорметан токсичен, а точный состав растворителя "Ацетон+" неизвестен. Поэтому данные растворители желательно было заменить, или, как минимум, исследовать альтернативы.

Набрал раствор в шприц, закрепил его в установке, включил высокое напряжение, включил подачу раствора. Из иглы к коллектору устремились струи раствора, по пути они застывали, образуя волокна. Некоторые волокна не отделились от иглы, образуя бороду: сначала скромную, затем довольно внушительную. Время от времени снимал эту бороду с помощью длинной пластмассовой палочки, но она формировалась вновь.

На коллекторе образовывалось белое покрытие, похожее на хлопковую вату. Обратная сторона электрода также частично покрылась волокнистым полистиролом.

Поскольку эксперимент внешне напоминал предыдущие, я ограничил съемку фото и видео. Однако, когда исследовал полученный материал под микроскопом, произошел сюрприз. Оказалось, что диаметр волокон полистирола, полученных из раствора в тетрагидрофуране, был намного меньше, чем волокон данного полимера, полученных электроспиннингом растворов полистирола в растворителе "Ацетон+". В свою очередь, волокна, полученные из растворов в этилацетате и хлористом метилене, имели гораздо больший диаметр, чем волокна, проученные из растворителя "Ацетон+".

Другими словами, использование тетрагидрофурана для электроспиннинга полистирола привело к образованию волокон минимального диаметра по сравнению с другими растворителями. Коллега-химик предположил: такой результат обусловлен тем, что тетрагидрофуран имеет более высокую электропроводность по сравнению с другими растворителями, которые я использовал (или пытался использовать) для электроспиннинга полистирола. Сначала я поверил ему на слово, но потом решил посмотреть справочные данные. Оказалось, что тетрагидрофуран действительно имеет более высокую электропроводность по сравнению с углеводородными растворителями вроде гексана, однако его электропроводность все равно низкая. Чистый тетрагидрофуран является хорошим изолятором - он проводит электрический ток гораздо хуже, чем спирты, уксусная кислота или вода.