مقدمة
حمض الستريك هو حمض ثلاثي الكربوكسيل شائع الاستخدام، ويوجد في صناعات الأغذية والأدوية ومستحضرات التجميل، فضلاً عن استخدامه في تطبيقات كيميائية مثل عوامل التخليط وتخليق البوليمرات ذات الأساس الحيوي. ونظرًا لتعرضه المتكرر لدرجات حرارة مرتفعة أثناء المعالجة والتخزين، فإن الفهم الدقيق لاستقراره الحراري وسلوكه في حالة الجفاف ومسار تحلله أمر ضروري لتجنب الفقد غير المرغوب فيه للمواد الفعالة أو انبعاث نواتج التحلل الغازية. يوفر التحليل الحراري المتزامن المقترن بتحليل الغازات المنبعثة أداة قوية لتحديد خصائص ليس فقط فقدان الكتلة والتأثيرات الحرارية المرتبطة به، بل أيضًا الهوية الكيميائية للمواد المتطايرة المنبعثة، مما يتيح تفسيرًا موثوقًا وواضحًا للعمليات الحرارية الكامنة.
شروط القياس
الجدول 1: شروط القياس
| الجهاز | STA Jupiter® FT-IR INVENIO |
|---|---|
| العينة | حمض الستريك |
| كتلة العينة | 14 ملغ |
| نطاق درجة الحرارة | 30 - 400 درجة مئوية |
| معدل التسخين | 20 كلفن/دقيقة |
| البيئة | N2، 70 مل/دقيقة |
| البوتقة | بلاتين، 85 ميكرولتر مع غطاء مثقوب |
النتائج والمناقشة
يُظهر منحنى TGA-DSC في الشكل 1 السلوك الحراري متعدد المراحل لحمض الستريك.
يحدث فقدان في الكتلة بنسبة 4.2% وفقًا لـ small حتى درجة حرارة تبلغ حوالي 100 درجة مئوية، مصحوبًا بإشارة DSC امتصاصية واسعة تبلغ درجة حرارة ذروتها 59 درجة مئوية، وذروة DTG عند 66 درجة مئوية. وتُعزى هذه المرحلة إلى انبعاث الماء البلوري.
عند 150 درجة مئوية، يُظهر منحنى التحليل الحراري (DSC) ذروة امتصاصية حادة، ناتجة عن ذوبان حمض الستريك. وفوق هذه الدرجة، يدخل المادة منطقة التحلل الحراري. تحدث خطوة التحلل الرئيسية بين 190 درجة مئوية و240 درجة مئوية تقريبًا، وتؤدي إلى فقدان كبير في الكتلة بنسبة 90.8٪. يُظهر منحنى DTG أقصى معدل للتحلل عند 221 درجة مئوية، بينما يُظهر منحنى DSC ذروة ماصة قوية عند 223 درجة مئوية. ويؤكد هذا التوافق الوثيق بين DTG وDSC أن عملية فقدان الكتلة الأكبر ترتبط ارتباطًا مباشرًا بتفاعل تحلل ماص للحرارة.
توفر بيانات TGA-DSC معلومات واضحة حول نطاق درجة الحرارة، وفقدان الكتلة، والخصائص الحرارية لهذه الأحداث. ومع ذلك، لا يمكن لهذه البيانات وحدها تحديد الطبيعة الكيميائية للغازات المنبعثة ( Identify ). ولهذا السبب، فإن ربط التحليل الحراري بتحليل الطيف FT-IR للمرحلة الغازية المتولدة أمر ضروري. يُظهر طيف FT-IR المسجل عند 60 درجة مئوية، والذي يتوافق مع المرحلة الأولى من فقدان الكتلة، البنية الدقيقة الدورانية-الاهتزازية المميزة للماء الغازي في المناطق المحيطة بـ 3500-4000 سم-¹ و1300-2000 سم-¹، مما يؤكد أن فقدان الكتلة الأولي عند درجات الحرارة المنخفضة يرجع إلى الماء المرتبط ارتباطًا فيزيائيًا أو فضفاضًا وليس إلى أي تفاعل تحلل، انظر الشكل 2. في المقابل، يكشف طيف FT-IR المسجل عند 220 درجة مئوية، والذي يتوافق مع المرحلة الرئيسية لفقدان الكتلة، عن سمتين امتصاصيتين سائدتين، وهما نطاق مزدوج بالقرب من 2300-2360 سم⁻¹ مميز لثاني أكسيد الكربون، ونطاق قوي وحاد بالقرب من 1750-1800 سم⁻¹ يُنسب إلى اهتزازات تمدد الكربونيل. وتُظهر هذه الإشارات أن خطوة التحلل الرئيسية مدفوعة بفقدان الكربوكسيل في جزيء حمض الستريك، مع التكوّن المتزامن لشظايا تحتوي على الكربونيل.
ملخص
يكشف التوصيف الحراري لحمض الستريك، الذي تم إجراؤه باستخدام تقنية TGA-DSC المتزامنة مقترنةً بتحليل الطيف التحت الأحمر الكامل (FT-IR) في الطور الغازي، عن منحنى حراري من ثلاث مراحل يتألف من فقدان مبدئي للرطوبة المتبقية، ثم الانصهار، وأخيرًا تحلل كبير مدفوع بعملية إزالة الكربوكسيل عند درجة حرارة تزيد عن 200 درجة مئوية تقريبًا. وقد ثبت أن ربط التحليل الحراري ببيانات الغازات المنبعثة باستخدام تقنية FT-IR أمرًا ضروريًا لتصنيف كل حدث حراري بشكل صحيح وفقًا لعملية فيزيائية أو كيميائية محددة، مما يوفر أساسًا متينًا لتحديد حدود درجات الحرارة الآمنة للمعالجة والتخزين لحمض الستريك في التطبيقات الصناعية.