Indledning
Citronsyre er en meget udbredt tricarboxylsyre, der anvendes i fødevare-, lægemiddel- og kosmetikindustrien samt i kemiske anvendelser, såsom som chelateringsmidler og syntese af biobaserede polymerer. Da det ofte udsættes for høje temperaturer under forarbejdning og opbevaring, er en præcis forståelse af dets termiske stabilitet, dehydreringsadfærd og nedbrydningsforløb afgørende for at undgå uønsket tab af aktive stoffer eller frigivelse af gasformige nedbrydningsprodukter. Samtidig termisk analyse kombineret med analyse af frigjorte gasser udgør et effektivt værktøj til at karakterisere ikke blot massetabet og de dermed forbundne varmeeffekter, men også den kemiske sammensætning af de frigivne flygtige stoffer, hvilket muliggør en pålidelig og entydig fortolkning af de underliggende termiske processer.
Målebetingelser
Tabel 1: Målebetingelser
| Instrument | STA Jupiter® FT-IR INVENIO |
|---|---|
| Prøve | Citronsyre |
| Prøvemasse | 14 mg |
| Temperaturområde | 30–400 °C |
| Opvarmningshastighed | 20 K/min |
| Atmosfære | N2, 70 ml/min |
| Degel | Pt, 85 μl med hullet låg |
Resultater og diskussion
TGA-DSC-kurven i figur 1 viser citronsyrens termiske adfærd i flere trin.
Der forekommer et small t massetab på 4,2 % op til ca. 100 °C, ledsaget af et bredt endotermisk DSC-signal med en toptemperatur på 59 °C og en DTG-top ved 66 °C. Dette trin tilskrives frigivelsen af krystalvand.
Ved 150 °C viser DSC-kurven en skarp EndotermEn prøveovergang eller en reaktion er endoterm, hvis der er brug for varme til omdannelsen.endoterm top, som skyldes smeltningen af citronsyre. Over denne temperatur går materialet ind i det termiske nedbrydningsområde. Det primære nedbrydningstrin finder sted mellem ca. 190 °C og 240 °C og resulterer i et betydeligt massetab på 90,8 %. DTG-kurven viser den maksimale nedbrydningshastighed ved 221 °C, mens DSC-kurven viser en kraftig EndotermEn prøveovergang eller en reaktion er endoterm, hvis der er brug for varme til omdannelsen.endoterm top ved 223 °C. Denne tætte overensstemmelse mellem DTG og DSC bekræfter, at den største massetabsreaktion er direkte knyttet til en EndotermEn prøveovergang eller en reaktion er endoterm, hvis der er brug for varme til omdannelsen.endoterm NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydningsreaktion.
TGA-DSC-dataene giver klare oplysninger om temperaturområdet, massetabet og de termiske egenskaber ved begivenhederne. Disse data alene kan dog ikke Identify den kemiske beskaffenhed af de frigivne gasser. Af denne grund er det afgørende at kombinere termisk analyse med FT-IR-spektroskopi af den udviklede gasfase. FT-IR-spektret, der er registreret ved 60 °C, hvilket svarer til det første trin i massetabet, viser den karakteristiske rotations-vibrations-finstruktur for vand i gasform i områderne omkring 3500–4000 cm⁻¹ og 1300–2000 cm⁻¹, hvilket bekræfter, at det indledende massetab ved lav temperatur skyldes fysisk eller løst bundet vand snarere end nogen NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydningsreaktion, se figur 2. Derimod afslører FT-IR-spektret, der er registreret ved 220 °C, hvilket svarer til det største trin i massetabet, to dominerende absorptionstræk: et dobbeltbånd nær 2300–2360 cm⁻¹, der er karakteristisk for kuldioxid, og et stærkt, skarpt bånd omkring 1750–1800 cm⁻¹, der tilskrives carbonyl-strækningsvibrationer. Disse signaler viser, at det primære nedbrydningstrin er drevet af dekarboxylering af citronsyremolekylet med samtidig dannelse af carbonylholdige fragmenter.
Resumé
Den termiske karakterisering af citronsyre ved hjælp af samtidig TGA-DSC kombineret med FT-IR-gasfaseanalyse afslører en termisk profil i tre trin, der består af et indledende tab af restfugtighed, Smeltetemperaturer og entalpierEt stofs fusionsenthalpi, også kendt som latent varme, er et mål for den energitilførsel, typisk varme, der er nødvendig for at omdanne et stof fra fast til flydende tilstand. Et stofs smeltepunkt er den temperatur, hvor det skifter tilstand fra fast (krystallinsk) til flydende (isotropisk smelte).smeltning og en omfattende dekarboxyleringsdrevet NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning ved temperaturer over ca. 200 °C. Koblingen af termisk analyse og data om frigjorte gasser ved hjælp af FT-IR viste sig at være afgørende for korrekt at kunne henføre hver termisk begivenhed til en specifik fysisk eller kemisk proces, hvilket gav et solidt grundlag for at fastlægge sikre grænser for forarbejdnings- og opbevaringstemperaturer for citronsyre i industrielle anvendelser.