Extensional rheology and electric field control: strategies for electrospinning scale-up

Beaudoin, Étienne (2025). Extensional rheology and electric field control: strategies for electrospinning scale-up. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Polymeric nanofibers are increasingly used in filtration, sensing, and biomedical applications. Electrospinning offers a versatile route to produce such fibers with controlled morphology, but its adoption beyond the laboratory remains limited by intrinsically low productivity. Simply increasing the flow rate collapses fiber morphology, showing that scale-up requires new strategies. This thesis addresses two critical challenges: tailoring the rheological properties of polymer solutions to optimize fiber formation, and mitigating electric field non-uniformities in multi-needle systems that destabilize jets and compromise product quality.

The first research path focuses on rheology. A custom Capillary Breakup Extensional Rheometer (CaBER) was designed for low-viscosity viscoelastic solutions relevant to electrospinning. Controlled-humidity experiments and an evaporation–diffusion model revealed that solvent evaporation strongly biases filament thinning, conflating intrinsic relaxation time with evaporation-driven strain hardening. Systematic studies on molecular weight distribution showed that long-chain content governs extensional elasticity and fiber morphology. Crucially, elastic doping, with a trace fraction of high-molecular-weight polymer, enabled fiber formation from an otherwise unspinnable low-molecular-weight matrix, leading to a fivefold increase in polymer throughput while preserving fiber quality.

The second research path addresses scale-up via multi-needle electrospinning. A linear twentyneedle array was investigated, and parallel plates as auxiliary electrodes were introduced to homogenize the electric field. Finite element simulations and experiments demonstrated that this approach stabilizes jet trajectories, uniformizes fiber deposition, and enables precise control of membrane thickness. This configuration achieved a twentyfold increase in production rate while maintaining fiber quality comparable to single-needle electrospinning. Together, these findings demonstrate that combining rheological control of solution formulations with electric field optimization provides a practical and scalable framework for nanofiber production. This work advances electrospinning from laboratory-scale studies toward industrially relevant throughput.

Titre traduit

Rhéologie en extension et contrôle du champ électrique : stratégies pour la mise à l’échelle de l’électrofilage

Résumé traduit

Les nanofibres polymériques connaissent un intérêt croissant pour la filtration, les capteurs et les applications biomédicales. L’électrofilage constitue une méthode polyvalente pour produire de telles fibres avec une morphologie contrôlée, mais son passage à des échelles de production plus larges demeure limité par une productivité intrinsèquement faible. Une simple augmentation du débit d’alimentation entraîne une dégradation de la morphologie des fibres, ce qui montre que la mise à l’échelle exige de nouvelles stratégies. Cette thèse s’attaque à deux défis majeurs : l’adaptation des propriétés rhéologiques des solutions polymériques afin d’optimiser la formation des fibres, et la réduction des non-uniformités du champ électrique dans les systèmes multi-aiguilles, responsables de la déstabilisation des jets et de la baisse de qualité des fibres obtenues.

La première voie de recherche porte sur la rhéologie. Un rhéomètre à bris capillaire en extension (CaBER) a été conçu sur mesure pour caractériser des solutions viscoélastiques de faible viscosité adaptées à l’électrofilage. Des expériences menées sous humidité contrôlée, appuyées par un modèle évaporation–diffusion, ont montré que l’évaporation du solvant influence fortement la dynamique d’amincissement du filament, allongeant artificiellement le temps de relaxation mesuré par un durcissement en traction induit par l’évaporation. Des études systématiques sur la distribution des masses molaires ont révélé que la fraction de chaînes longues détermine l’élasticité en extension des solutions et la morphologie des fibres électrofilées. De plus, le « dopage élastique », obtenu par l’ajout d’une fraction infime de polymère de masse molaire élevée, a permis la formation de fibres à partir d’une matrice de faible masse molaire autrement non filable, conduisant également à un quintuplement du débit de polymère tout en préservant la qualité des fibres.

La seconde voie de recherche concerne la mise à l’échelle par électrofilage multi-aiguilles. Une configuration linéaire de vingt aiguilles a été étudiée, et des plaques parallèles utilisées comme électrodes auxiliaires ont été introduites pour homogénéiser le champ électrique. Il a été démontré par simulations par éléments finis et par expériences que cette approche stabilise les trajectoires des jets, uniformise le dépôt des fibres et permet un contrôle précis de l’épaisseur des membranes. Cette configuration a permis d’augmenter par un facteur vingt le taux de production tout en maintenant une qualité de fibres comparable à celle obtenue par électrofilage à aiguille unique.

Dans l’ensemble, ces travaux démontrent que la combinaison du contrôle rhéologique des formulations polymériques et de l’optimisation du champ électrique constitue une approche efficace pour la mise à l’échelle de la production de nanofibres. Cette recherche contribue à faire progresser l’électrofilage des études de laboratoire vers des débits compatibles avec les besoins industriels.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 153-164).
Mots-clés libres:	électrofilage, nanofibres, solutions polymériques, rhéologie en extension, rhéomètre à bris capillaire en extension (CaBER)
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Demarquette, Nicole R.
Codirecteur:	Codirecteur Zednik, Ricardo
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	22 déc. 2025 16:25
Dernière modification:	22 déc. 2025 16:25
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3760

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