مقدمة
ستيرات المغنيسيوم هو مسحوق أبيض يستخدم كمادة تشحيم في إنتاج مستحضرات التجميل والمستحضرات الصيدلانية [5]. يمكن أن تختلف خواصه الفيزيائية من دفعة إلى أخرى لأن ستيرات المغنيسيوم التجارية عبارة عن مزيج من أملاح الأحماض الدهنية المختلفة التي قد تختلف في نسبتها [4]. بالإضافة إلى ذلك، تعتمد خصائصه بشكل كبير على محتواه من الرطوبة وحالة الترطيب [1]. يمكن فحص الخواص المتفاوتة لستيرات المغنيسيوم عن طريق التحليل الحراري DSC، وهي طريقة سريعة وسهلة بشكل خاص للحصول على بصمة المادة. ويمكن استخدام طريقة أخرى للتحليل الحراري، وهي TGA، للإشارة إلى حالة ترطيب ستيرات المغنيسيوم النقية. في ما يلي، تم توصيف عينة من ستيرات المغنيسيوم عن طريق قياسات DSC وTGA وPXRD (حيود مسحوق الأشعة السينية). بالإضافة إلى ذلك، تمت دراسة التأثير على الخواص الحرارية للتخزين لمدة أسبوعين في جو رطب.
شروط الاختبار
بالنسبة لمعالجة الرطوبة، تم تخزين العينة في حاوية مفتوحة موضوعة فوق ماء وعاء مائي محكم الغلق لمدة أسبوعين. أُجريت القياسات بجهاز DSC 214 Polyma وجهاز TG 209 Libra® في جو نيتروجين ديناميكي. استُخدمت بوتقات Concavus® محكمة الغلق بغطاء مثقوب. أُجريت قياسات PXRD باستخدام جهاز Bruker D8 Advance من شركة Solid-chem GmbH.
نتائج الاختبار
تظهر قياسات ستيرات المغنيسيوم المغنيسيوم مع معالجة الرطوبة وبدونها في الشكلين 2أ و2ب (تكبير الشكل 2أ).
تفقد العينة 3.5% من كتلتها الأولية بين درجة حرارة الغرفة و130 درجة مئوية (منحنى مستمر). يمكن أن نرى من القمتين في منحنى المشتق الأول (DTG) في نطاق درجة الحرارة هذا أن هذه العمليات تتم في خطوتين: فقدان الكتلة الأول بنسبة 1.8% حتى 100 درجة مئوية يرجع إلى تبخر الماء السطحي؛ أما خطوة فقدان الكتلة الثانية فتبلغ 1.7% بين 100 درجة مئوية و130 درجة مئوية وتتوافق مع إطلاق الماء المائي.
بالنسبة للعينة التي تم اختبارها بعد التخزين في جو رطب، توجد كلتا الخطوتين أيضًا ولكن الخطوة الأولى ترتبط بفقدان كتلة أعلى.
ووفقًا للنتائج الموضحة في [6]، يبدأ فقدان الكتلة الناتج عن إطلاق ماء الهيدرات عند حوالي 65 درجة مئوية لثلاثي الهيدرات، و85 درجة مئوية لثنائي الهيدرات، و95 درجة مئوية لشكل أحادي الهيدرات. علاوة على ذلك، تبلغ الكتلة الجزيئية لستيرات المغنيسيوم 591.257 جم/مول [2]. وينتج عن ذلك كتلة جزيئية تبلغ 609.257 جم/مول للأحادي الهيدرات، و627.257 جم/مول للداي هيدرات و645.257 جم/مول للثلاثي الهيدرات. وبالتالي، فإن فاقد ماء الترطيب سيكون 2.95% للمونوهيدرات الأحادية النقية و5.74% للثنائي الهيدرات النقي و8.37% للثلاثي الهيدرات. يشير هذا إلى أن العينة بدون معالجة الرطوبة عبارة عن خليط من ستيرات المغنيسيوم في حالات مختلفة من الترطيب وتحتوي بالإضافة إلى ذلك على ماء السطح.
يؤدي تخزين العينة في جو رطب إلى زيادة في الخطوة الأولى الناتجة عن إطلاق الماء. وفقًا لـ [1]، لا تؤثر معالجة الرطوبة على حالات ترطيب ستيرات المغنيسيوم. وبالتالي، بعد المعالجة بالرطوبة، ينشأ فقدان الكتلة الأعلى الملاحظ بين درجة حرارة الغرفة و130 درجة مئوية من امتزاز الماء السطحي أو من الماء الممتص في البنية البلورية.
يبدأ التحلل في كلتا العينتين عند درجة حرارة 350 درجة مئوية تقريبًا (درجات حرارة البداية الاستقرائية) ويبدأ على خطوتين مع فقدان إجمالي للكتلة بنسبة 89% (العينة بدون تخزين) و86% (العينة بعد التخزين). يشير الانحدار المفاجئ في منحدر منحنى TGA بين 350 درجة مئوية و370 درجة مئوية إلى تفاعل سريع خلال خطوة التحلل الأولى.
يوضح الشكل 3 قياس DSC لستيرات المغنيسيوم دون معالجة بالماء. تم اكتشاف تأثير حراري داخلي واسع النطاق مع درجات حرارة قصوى عند 77 درجة مئوية و90 درجة مئوية و115 درجة مئوية بين درجة حرارة الغرفة و130 درجة مئوية. ويتوافق جزء منه مع تبخر الماء المكتشف في منحنى TGA. ومن المحتمل أن يتداخل مع ذوبان العينة، مما يؤدي أيضًا إلى ذروة ماصة للحرارة. تشير بعض المراجع إلى نطاق ذوبان يتراوح بين 130 درجة مئوية و145 درجة مئوية [3] وتشير مراجع أخرى إلى ذروة ذوبان عند 88 درجة مئوية [2]. ينتج التشتت في البيانات عن حقيقة أن ستيرات المغنيسيوم المتاحة تجاريًا غالبًا ما تتكون من خليط من أملاح الأحماض الدهنية المختلفة عما هو موضح أعلاه. ومع اختلاف المكونات الفردية، يمكن أن تختلف خصائص المادة من دفعة إلى أخرى [4].
يُظهر التسخين الثاني (المنحنى الأحمر) أن الذروة عند 31 درجة مئوية والتأثير الحراري الداخلي في نطاق درجة الحرارة بين 120 درجة مئوية و150 درجة مئوية فقط تبقى بعد التسخين الأول. يشير هذا إلى عملية قابلة للانعكاس، مثل ذوبان المكونات. نظرًا لتطبيق الغطاء المثقوب، لم يعد الماء (الممتز والمرتبط كيميائيًا) موجودًا داخل العينة عند درجة الحرارة هذه. ولذلك، من المحتمل أن تكون القمم عند 145 درجة مئوية (التسخين الأول) أو 141 درجة مئوية (التسخين الثاني) مرتبطة بمدى انصهار ستيرات المغنيسيوم الخالية من الماء.
يصور الشكل 4 منحنيات DSC (التسخين الأول والثاني) لستيرات المغنيسيوم بعد التخزين في جو رطب. وبالمقارنة مع الشكل 3، يمكن بسهولة ملاحظة تأثير معالجة الرطوبة. فله تأثير قوي على التأثيرات الحرارية الداخلية المكتشفة في التسخين الأول بين درجة حرارة الغرفة و130 درجة مئوية، ويرتبط ذلك بالاختلافات في الخواص الفيزيائية كما هو مذكور في الأدبيات [1].
ومع ذلك، فإن التسخين الثاني يشبه إلى حد كبير تسخين العينة الأصلية. بعد التسخين إلى 250 درجة مئوية والتبريد المتحكم فيه في جو جاف، تصل كلتا العينتين إلى نفس الحالة. ترجع القمم المكتشفة إلى ذوبان المكونات.
من أجل التمكن من توصيف المكونات الفردية بشكل أفضل، أُجريت قياسات حيود الأشعة السينية (PXRD) على كلتا العينتين - الأصلية والمعالجة بالماء (الشكل 5).
تختلف أنماط PXRD بشكل واضح بالنسبة للقمم عند 20 درجة و23.5 درجة 2 ° تقريبًا. فهي موجودة في كلتا العينتين ولكن شدتها تزداد مع المعالجة بالرطوبة. وهذا يعني أن الهيدرات، التي كانت موجودة بالفعل في العينة الأصلية، تتشكل بشكل متزايد أثناء التخزين في جو رطب. وتؤكد مقارنة نمط الأشعة السينية مع بيانات الأدبيات [6] وجود ثلاثي الهيدرات مع التركيز على القمم عند 20 درجة و23.5 درجة 2 درجة مئوية.
تكون أشكال الهيدرات مستقرة في وجود الرطوبة [1]، بحيث يتكون ثلاثي الهيدرات من أنهيدرات موجودة في العينة الأصلية. تؤكد هذه النتيجة تقييم LV Allen وPE Luner [7] بأن الشكل اللامائي من ستيرات المغنيسيوم يعيد الترطيب لتكوين ثلاثي الهيدرات عند رطوبة نسبية أعلى من 50%.
الخاتمة
أُجريت قياسات DSC وTGA على ستيرات المغنيسيوم مع التخزين في جو رطب وبدونه. سمحت المعالجة بالماء بزيادة كل من الماء السطحي والماء البلوري.
وتزداد أهمية هذه المعرفة نظرًا لوجود علاقة بين معالجة الرطوبة والخصائص الفيزيائية لستيرات المغنيسيوم [1]؛ ولذلك، من المهم إجراء فحوصات على المنتج قبل المعالجة. وتحقيقًا لهذه الغاية، يعد DSC وTGA من الأدوات المفيدة التي تسمح بالتوصيف السريع و/أو المقارنة بين الدفعات المختلفة.
شكر وتقدير
تود شركة NETZSCH أن تشكر شركة Solid-chem GmbH في بوخوم بألمانيا على إجراء قياسات PXRD وتقييمها.