Úvod
Kyselina citronová je široce používaná trikarboxylová kyselina, která se vyskytuje v potravinářském, farmaceutickém a kosmetickém průmyslu, stejně jako v chemických aplikacích, například jako chelatační činidla a při syntéze biopolymerů. Vzhledem k tomu, že je během zpracování a skladování často vystavena zvýšeným teplotám, je přesné pochopení její tepelné stability, chování při dehydrataci a způsobu rozkladu zásadní pro zabránění nežádoucí ztrátě účinných látek nebo uvolňování plynných produktů rozkladu. Souběžná termická analýza spojená s analýzou uvolněných plynů představuje účinný nástroj k charakterizaci nejen úbytku hmotnosti a souvisejících tepelných jevů, ale také chemické identity uvolněných těkavých látek, což umožňuje spolehlivou a jednoznačnou interpretaci příslušných tepelných procesů.
Měřicí podmínky
Tabulka 1: Podmínky měření
| Přístroj | STA Jupiter® FT-IR INVENIO |
|---|---|
| Vzorek | Kyselina citronová |
| Hmotnost vzorku | 14 mg |
| Teplotní rozsah | 30–400 °C |
| Rychlost ohřevu | 20 K/min |
| Atmosféra | N2, 70 ml/min |
| Tavicí kelímek | Pt, 85 μl s děrovaným víkem |
Výsledky a diskuze
Křivka TGA-DSC na obrázku 1 ukazuje vícestupňové tepelné chování kyseliny citronové.
small ká ztráta hmotnosti ve výši 4,2 % nastává až do teploty přibližně 100 °C a je doprovázena širokým endotermickým signálem DSC s maximální teplotou 59 °C a vrcholem DTG při 66 °C. Tento krok je připisován uvolňování krystalové vody.
Při 150 °C vykazuje křivka DSC ostrý endotermický vrchol, který je důsledkem tání kyseliny citronové. Nad touto teplotou materiál vstupuje do oblasti tepelné degradace. Hlavní rozkladová fáze probíhá v rozmezí přibližně 190 °C až 240 °C a vede k významné ztrátě hmotnosti ve výši 90,8 %. Křivka DTG vykazuje maximální rychlost rozkladu při 221 °C, zatímco křivka DSC vykazuje silný endotermický vrchol při 223 °C. Tato těsná shoda mezi DTG a DSC potvrzuje, že proces s největší ztrátou hmotnosti je přímo spojen s endotermickou rozkladnou reakcí.
Údaje z TGA-DSC poskytují jasné informace o teplotním rozmezí, úbytku hmotnosti a tepelných vlastnostech těchto jevů. Samotné tyto údaje však nemohou Identify ovat chemickou povahu uvolněných plynů. Z tohoto důvodu je nezbytné spojit termickou analýzu s FT-IR spektroskopií uvolněné plynné fáze. FT-IR spektrum zaznamenané při 60 °C, které odpovídá prvnímu stupni úbytku hmotnosti, vykazuje charakteristickou rotačně-vibrační jemnou strukturu plynné vody v oblastech kolem 3500–4000 cm⁻¹ a 1300–2000 cm⁻¹, což potvrzuje, že počáteční úbytek hmotnosti při nízké teplotě je způsoben fyzikálně nebo volně vázanou vodou, nikoli nějakou rozkladnou reakcí, viz obrázek 2. Naproti tomu spektrum FT-IR zaznamenané při 220 °C, které odpovídá hlavnímu stupni úbytku hmotnosti, odhaluje dva dominantní absorpční rysy: dubletový pás v okolí 2300–2360 cm⁻¹, charakteristický pro oxid uhličitý, a silný, ostrý pás v okolí 1750–1800 cm⁻¹, přiřazený vibracím karbonylového můstku. Tyto signály dokazují, že hlavní fáze rozkladu je způsobena dekarboxylací molekuly kyseliny citronové se současnou tvorbou fragmentů obsahujících karbonylový můstek.
Shrnutí
Tepelná charakterizace kyseliny citronové pomocí simultánní TGA-DSC v kombinaci s FT-IR analýzou v plynné fázi odhaluje třífázový tepelný profil, který se skládá z počáteční ztráty zbytkové vlhkosti, tavení a rozsáhlého rozkladu způsobeného dekarboxylací při teplotách nad přibližně 200 °C. Propojení výsledků termické analýzy s údaji o uvolňujících se plynech získanými metodou FT-IR se ukázalo jako zásadní pro správné přiřazení jednotlivých termických jevů ke konkrétním fyzikálním či chemickým procesům, čímž poskytlo pevný základ pro stanovení bezpečných mezních hodnot teplot při zpracování a skladování kyseliny citronové v průmyslových aplikacích.