Introduktion
Magnesiumstearat er et hvidt pulver, der bruges som smøremiddel i produktionen af kosmetik og lægemidler [5]. Dets fysiske egenskaber kan variere fra batch til batch, fordi kommercielt magnesiumstearat er en blanding af forskellige fedtsyresalte, der kan variere i forhold til hinanden [4]. Derudover afhænger dets egenskaber i høj grad af dets fugtindhold og hydratiseringstilstand [1]. Magnesiumstearats varierende egenskaber kan undersøges ved hjælp af DSC, som er en særlig hurtig og nem metode til at få et materiales fingeraftryk. En anden termisk analysemetode, TGA, kan bruges til at angive hydratiseringstilstanden for rent magnesiumstearat. I det følgende blev en magnesiumstearatprøve karakteriseret ved hjælp af DSC-, TGA- og PXRD-målinger (røntgendiffraktion i pulverform). Derudover blev indflydelsen på de termiske egenskaber ved opbevaring i to uger i en fugtig atmosfære undersøgt.
Testbetingelser
Til fugtbehandlingen blev prøven opbevaret i en åben beholder placeret over vandet i en forseglet vandbeholder i to uger. Målingerne blev udført med en DSC 214 Polyma og en TG 209 Libra® i en dynamisk nitrogenatmosfære. Der blev brugt forseglede Concavus® digler med gennembrudt låg. PXRD-målingerne blev udført med Bruker D8 Advance hos solid-chem GmbH.
Testresultater
TGA-målingerne af magnesiumstearat med og uden fugtbehandling er vist i figur 2a og 2b (zoom på figur 2a).
Prøven mister 3,5 % af sin oprindelige masse mellem stuetemperatur og 130 °C (kontinuerlig kurve). Det fremgår af de to toppe i den første afledte kurve (DTG) i dette temperaturområde, at disse processer forløber i to trin: Det første massetab på 1,8 % op til 100 °C skyldes FordampningFordampning af et grundstof eller en forbindelse er en faseovergang fra væskefase til damp. Der findes to typer fordampning: fordampning og kogning.fordampning af overfladevand; det andet massetabstrin udgør 1,7 % mellem 100 °C og 130 °C og svarer til frigivelsen af hydratvand.
For prøven, der blev testet efter opbevaring i en fugtig atmosfære, er begge trin også til stede, men det første er forbundet med et større massetab.
Ifølge de resultater, der er beskrevet i [6], begynder massetabet som følge af frigivelsen af hydratvand omkring 65 °C for trihydratet, 85 °C for dihydratet og 95 °C for monohydratformen. Desuden har magnesiumstearat en molekylmasse på 591,257 g/mol [2]. Dette resulterer i en molekylmasse på 609,257 g/mol for monohydratet, 627,257 g/mol for dihydratet og 645,257 g/mol for trihydratet. Følgelig ville tabet af hydratiseringsvand være 2,95 % for det rene monohydrat, 5,74 % for det rene dihydrat og 8,37 % for trihydratet. Dette indikerer, at prøven uden fugtbehandling er en blanding af magnesiumstearat i forskellige hydratiseringstilstande og desuden indeholder overfladevand.
Opbevaring af prøven i en fugtig atmosfære fører til en stigning i det første trin som følge af vandafgivelsen. Ifølge [1] har fugtbehandlingen ingen indflydelse på magnesiumstearats hydratiseringstilstande. Efter fugtbehandling stammer det højere massetab, der er observeret mellem stuetemperatur og 130 °C, derfor fra adsorption af overfladevand eller fra vand, der er absorberet i krystalstrukturen.
Nedbrydningen af begge prøver starter omkring 350 °C (ekstrapolerede begyndelsestemperaturer) og forløber i to trin med et samlet massetab på 89 % (prøve uden opbevaring) og 86 % (prøve efter opbevaring). Den bratte hældning på TGA-kurven mellem 350 °C og 370 °C indikerer en hurtig reaktion under det første nedbrydningstrin.
Figur 3 viser DSC-målingen af magnesiumstearat uden vandbehandling. En bred endotermisk effekt med spidstemperaturer på 77 °C, 90 °C og 115 °C ses mellem stuetemperatur og 130 °C. En del af den svarer til fordampningen af vand, der blev registreret i TGA-kurven. Den kan muligvis overlappes af 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 af prøven, som også resulterer i en endotermisk top. Nogle referencer angiver et smelteområde mellem 130 °C og 145 °C [3] og andre en smeltetop ved 88 °C [2]. Spredningen af data skyldes, at kommercielt tilgængeligt magnesiumstearat meget ofte består af en blanding af forskellige fedtsyresalte end beskrevet ovenfor. Med variationen af de enkelte komponenter kan stoffets egenskaber variere fra batch til batch [4].
Den anden opvarmning (rød kurve) viser, at kun toppen ved 31 °C og den endotermiske effekt i temperaturområdet mellem 120 °C og 150 °C er tilbage efter den første opvarmning. Dette indikerer en reversibel proces, som f.eks. 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 af bestanddele. På grund af anvendelsen af et gennembrudt låg er vandet (både adsorberet og kemisk bundet) ikke længere til stede inde i prøven ved denne temperatur. Derfor er det muligt, at toppene ved 145 °C (1. opvarmning) eller 141 °C (2. opvarmning) er relateret til smelteområdet for det vandfri magnesiumstearat.
Figur 4 viser DSC-kurverne (1. og 2. opvarmning) for magnesiumstearat efter opbevaring i en fugtig atmosfære. Sammenlignet med figur 3 kan virkningen af fugtbehandlingen let observeres. Den har en stærk indflydelse på de endotermiske effekter, der blev registreret i den første opvarmning mellem stuetemperatur og 130 °C, hvilket er forbundet med forskelle i de fysiske egenskaber som angivet i litteraturen [1].
Den anden opvarmning er dog meget lig den for den oprindelige prøve. Efter opvarmning til 250 °C og kontrolleret afkøling i en tør atmosfære når begge prøver samme tilstand. De påviste toppe skyldes 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 af bestanddele.
For bedre at kunne karakterisere de enkelte komponenter blev der udført røntgendiffraktionsmålinger (PXRD) på begge prøver - den oprindelige og den vandbehandlede (figur 5).
PXRD-mønstrene adskiller sig tydeligt for toppene ved ca. 20° og 23,5° 2θ. De er til stede i begge prøver, men deres intensitet øges med fugtbehandlingen. Det betyder, at et hydrat, som allerede var til stede i den oprindelige prøve, i stigende grad dannes under opbevaring i en fugtig atmosfære. Sammenligningen af røntgenmønsteret med litteraturdata [6] bekræfter trihydratet, mens man koncentrerer sig om toppene ved 20° og 23,5° 2θ.
Hydratformerne er stabile ved tilstedeværelse af fugt [1], så trihydratet er dannet af et anhydrat, der er til stede i den oprindelige prøve. Dette resultat bekræfter vurderingen fra LV Allen og PE Luner [7] om, at den vandfri form af magnesiumstearat rehydrerer og danner et trihydrat ved en relativ luftfugtighed på over 50 %.
Konklusion
DSC- og TGA-målinger blev udført på magnesiumstearat med og uden opbevaring i en fugtig atmosfære. Vandbehandlingen gjorde det muligt at øge både overfladevandet og krystalvandet.
Denne viden er så meget desto vigtigere, fordi der er en sammenhæng mellem fugtbehandlingen og magnesiumstearats fysiske egenskaber [1]; derfor er det afgørende at foretage kontrol af produktet før forarbejdning. Til dette formål er DSC og TGA nyttige værktøjer, der giver mulighed for hurtig karakterisering og/eller sammenligning af de forskellige partier.
Anerkendelse
NETZSCH vil gerne takke solid-chem GmbH i Bochum, Tyskland, for at have udført PXRD-målingerne og evalueringen.