Introducción
El estearato de magnesio es un polvo blanco que se utiliza como lubricante en la producción de cosméticos y productos farmacéuticos [5]. Sus propiedades físicas pueden variar de un lote a otro porque el estearato de magnesio comercial es una mezcla de diferentes sales de ácidos grasos que pueden variar en proporción [4]. Además, sus propiedades dependen en gran medida de su contenido de humedad y estado de hidratación [1]. Las propiedades variables del estearato de magnesio pueden investigarse mediante DSC, que es un método especialmente rápido y sencillo para obtener la huella dactilar de un material. Otro método de análisis térmico, el TGA, puede utilizarse para indicar el estado de hidratación del estearato de magnesio puro. A continuación, se caracterizó una muestra de estearato de magnesio mediante mediciones de DSC, TGA y PXRD (difracción de rayos X en polvo). Además, se estudió la influencia en las propiedades térmicas del almacenamiento durante dos semanas en una atmósfera húmeda.
Condiciones de la prueba
Para el tratamiento de la humedad, la muestra se almacenó durante dos semanas en un recipiente abierto colocado sobre el agua de un recipiente estanco. Las mediciones se realizaron con un DSC 214 Polyma y un TG 209 Libra® en atmósfera dinámica de nitrógeno. Se utilizaron crisoles sellados Concavus® con tapa perforada. Las mediciones PXRD se realizaron con el Bruker D8 Advance en solid-chem GmbH.
Resultados de las pruebas
Las mediciones TGA del estearato de magnesio con y sin tratamiento de humedad se representan en las figuras 2a y 2b (zoom de la figura 2a).
La muestra pierde un 3,5% de su masa inicial entre la temperatura ambiente y los 130°C (curva continua). De los dos picos de la curva de la primera derivada (DTG) en este intervalo de temperatura se desprende que estos procesos se desarrollan en dos etapas: la primera pérdida de masa del 1,8% hasta 100°C se debe a la evaporación del agua superficial; la segunda etapa de pérdida de masa asciende al 1,7% entre 100°C y 130°C y corresponde a la liberación del agua de hidratación.
En el caso de la muestra analizada tras su almacenamiento en atmósfera húmeda, también se dan ambos pasos, pero el primero está asociado a una mayor pérdida de masa.
Según los resultados descritos en [6], la pérdida de masa debida a la liberación del agua hidratada comienza alrededor de 65°C para el trihidrato, 85°C para el dihidrato y 95°C para la forma monohidratada. Además, el estearato de magnesio tiene una masa molecular de 591,257 g/mol [2]. Esto resulta en una masa molecular de 609,257 g/mol para el monohidrato, 627,257 g/mol para el dihidrato y 645,257 g/mol para el trihidrato. Por consiguiente, la pérdida de agua de hidratación sería del 2,95% para el monohidrato puro, del 5,74% para el dihidrato puro y del 8,37% para el trihidrato. Esto indica que la muestra sin tratamiento de humedad es una mezcla de estearato de magnesio en diferentes estados de hidratación y contiene además agua superficial.
El almacenamiento de la muestra en una atmósfera húmeda provoca un aumento del primer paso resultante de la liberación de agua. Según [1], el tratamiento de humedad no influye en los estados de hidratación del estearato de magnesio. Por consiguiente, tras el tratamiento de humedad, la mayor pérdida de masa observada entre la temperatura ambiente y los 130°C tiene su origen en la adsorción de agua superficial o en el agua absorbida en la estructura cristalina.
La descomposición de ambas muestras comienza alrededor de 350°C (temperaturas de inicio extrapoladas) y se desarrolla en dos etapas con una pérdida de masa total del 89% (muestra sin almacenamiento) y del 86% (muestra después del almacenamiento). La brusquedad de la pendiente de la curva TGA entre 350°C y 370°C indica una reacción rápida durante la primera etapa de descomposición.
La figura 3 muestra la medición DSC del estearato de magnesio sin tratamiento de agua. Se detecta un amplio efecto EndotérmicoA sample transition or a reaction is endothermic if heat is needed for the conversion.endotérmico con temperaturas pico a 77°C, 90°C y 115°C entre la temperatura ambiente y 130°C. Parte de él corresponde a la evaporación de agua detectada en la curva TGA. Posiblemente se superponga a la fusión de la muestra, que también da lugar a un pico endotérmico. Algunas referencias indican un intervalo de fusión entre 130°C y 145°C [3] y otras un pico de fusión a 88°C [2]. La dispersión de los datos se debe al hecho de que el estearato de magnesio disponible en el mercado consiste muy a menudo en una mezcla de sales de ácidos grasos diferentes de las descritas anteriormente. Con la variación de los componentes individuales, las propiedades de la sustancia pueden variar de un lote a otro [4].
El segundo calentamiento (curva roja) muestra que sólo el pico a 31°C y el efecto endotérmico en el rango de temperatura entre 120°C y 150°C permanecen tras el primer calentamiento. Esto indica un proceso reversible, como la fusión de constituyentes. Debido a la aplicación de una tapa perforada, el agua (tanto adsorbida como unida químicamente) ya no está presente en el interior de la muestra a esta temperatura. Por lo tanto, es posible que los picos a 145°C (1er calentamiento) o 141°C (2º calentamiento) estén relacionados con el intervalo de fusión del estearato de magnesio sin agua.
La figura 4 muestra las curvas DSC (1º y 2º calentamiento) del estearato de magnesio tras su almacenamiento en atmósfera húmeda. En comparación con la figura 3, puede observarse fácilmente el impacto del tratamiento con humedad. Tiene una fuerte influencia en los efectos endotérmicos detectados en el 1er calentamiento entre temperatura ambiente y 130°C, asociados a diferencias en las propiedades físicas como se indica en la literatura [1].
Sin embargo, el segundo calentamiento es muy similar al de la muestra original. Tras calentarse hasta 250°C y enfriarse de forma controlada en atmósfera seca, ambas muestras alcanzan el mismo estado. Los picos detectados se deben a la fusión de los componentes.
Para poder caracterizar mejor los componentes individuales, se realizaron mediciones de difracción de rayos X (PXRD) en ambas muestras, la original y la tratada con agua (figura 5).
Los patrones de PXRD difieren claramente para los picos a aproximadamente 20° y 23,5° 2θ. Están presentes en ambas muestras, pero su intensidad aumenta con el tratamiento de humedad. Esto significa que un hidrato, que ya estaba presente en la muestra original, se forma cada vez más durante el almacenamiento en una atmósfera húmeda. La comparación del patrón de rayos X con los datos de la bibliografía [6] confirma el trihidrato concentrándose en los picos a 20° y 23,5° 2θ.
Las formas de hidrato son estables en presencia de humedad [1], por lo que el trihidrato se forma a partir de un anhidrato presente en la muestra original. Este resultado confirma la evaluación de LV Allen y PE Luner [7] de que la forma anhidra del estearato de magnesio se rehidrata para formar un trihidrato a una humedad relativa superior al 50%.
Conclusión
Se realizaron mediciones DSC y TGA en estearato de magnesio con y sin almacenamiento en atmósfera húmeda. El tratamiento con agua permitió aumentar tanto el agua superficial como el agua cristalina.
Este conocimiento es tanto más importante cuanto que existe una correlación entre el tratamiento de humedad y las propiedades físicas del estearato de magnesio [1]; por lo tanto, es crucial realizar controles del producto antes de su transformación. Para ello, el DSC y el TGA son herramientas útiles que permiten caracterizar y/o comparar rápidamente los distintos lotes.
Acuse de recibo
NETZSCH agradece a solid-chem GmbH de Bochum, Alemania, la realización de las mediciones y la evaluación PXRD.