Johdanto
Magnesiumstearaattia käytetään laajalti voiteluaineena kosmetiikan ja lääkkeiden tuotannossa. Sitä on kaupallisesti saatavilla useiden rasvahapposuolojen seoksena, joiden suhde voi vaihdella. Lisäksi magnesiumstearaattia esiintyy monohydraattina, dihydraattina ja trihydraattina. Tämän aineen fysikaalisiin ominaisuuksiin ja erityisesti voiteluominaisuuksiin vaikuttavat sen kosteuspitoisuus ja hydrataatiotila. Näistä syistä magnesiumstearaatin ominaisuudet voivat vaihdella huomattavasti valmistajasta toiseen [2, 3].
Magnesiumstearaatin vaihtelevia ominaisuuksia voidaan tutkia DSC:llä, joka on erityisen helppo ja nopea menetelmä aineen sormenjäljen saamiseksi. Toinen lämpöanalyysimenetelmä, TGA, voi auttaa antamaan viitteitä magnesiumstearaatin hydrataatiotilasta.
Seuraavassa magnesiumstearaattinäyte karakterisoitiin DSC- ja TGA-mittausten avulla. Lisäksi tutkittiin, miten kahden tunnin varastointi 60 °C:ssa ja 120 °C:ssa kuivassa typpi-ilmakehässä vaikuttaa lämpöominaisuuksiin.
Testiolosuhteet
Mittaukset suoritettiin DSC 214 Polyma ja TG 209 Libra® -laitteilla dynaamisessa typpi-ilmakehässä. Käytettiin suljettuja Concavus® upokkaita, joissa oli lävistetty kansi.
Testitulokset
Kuvassa 2 esitetään magnesiumstearaatin TGA-käyrä. Huoneenlämpötilan ja 125 °C:n välillä näyte menettää 3,5 % alkuperäisestä massastaan, mikä johtuu veden vapautumisesta. Tällä lämpötila-alueella DTG-käyrässä (TGA-käyrän1. derivaatta) havaitaan kaksi piikkiä, jotka viittaavat kahteen vaiheeseen: ensin haihtuu pintavesi (1. massahäviövaihe 1,1 %), sitten vapautuu hydraattivettä (2. massahäviövaihe 2,4 %). Magnesiumstearaatin moolimassa 591,27 g/mol johtaa teoreettiseen vesihäviöön, joka on 2,95 % monohydraattimuodossa, 5,74 % dihydraattimuodossa ja 8,37 % trihydraattimuodossa. Näin ollen havaittu massahäviö on osoitus magnesiumstearaatin monohydraattimuodosta: Kuumentamisen aikana näyte menettää ensin pintavettä (1. massahäviöaskel 1,1 %) ennen kuin kiteinen vesi vapautuu.
Tämä tulos voidaan vahvistaa D. Luggen [4] kuvaamilla TGA-käyrillä: Puhtaassa magnesiumstearaattidihydraatissa ja puhtaassa trihydraatissa massahäviö tapahtuisi alhaisemmassa lämpötilassa.
Näin ollen mitattu näyte sisältää ainakin magnesiumstearaatin monohydraattimuotoa. Ero 2,95 prosentin teoreettisen vesihäviön ja 3,5 prosentin mitatun vesihäviön välillä huoneenlämpötilan ja 125 °C:n välillä voi johtua pintaveden haihtumisesta ja/tai siitä, että näytteessä on dihydraattia/trihydraattia.
Kuvassa 3 esitetään magnesiumstearaatin DSC-käyrä kuumennettaessa 200 °C:seen. Huiput, jotka havaittiin 78,3 °C:ssa, 91,8 °C:ssa, 95,8 °C:ssa ja 116,0 °C:ssa, johtuvat osittain pintaveden ja sidotun veden vapautumisesta, kuten TGA-analyysi osoittaa. Haihtumisprosessi on todennäköisesti päällekkäinen näytteen komponenttien sulamisen kanssa.
Endotermiseen vaikutukseen 145,2 °C:ssa ei liity massahäviötä, ja se johtuu todennäköisesti näytteen jonkin ainesosan sulamisesta.
Kuvassa 4 esitetään vastaanotetun magnesiumstearaatin DSC-käyrät sekä materiaalin DSC-käyrät sen jälkeen, kun sitä oli varastoitu 2 tuntia 60 °C:ssa (punainen käyrä) ja 120 °C:ssa (musta käyrä).
Varastointi 120 °C:ssa (musta käyrä) muutti DSC-profiilin täysin: Se poisti hydraattiveden. Ertelin ja Carstensensin [5] mukaan kuumentaminen 105 °C:ssa ei ainoastaan poista vettä vaan myös muuttaa kiteiden rakennetta. Tässä tapauksessa 120 °C:ssa tapahtuva varastointi johti rakenteeseen, jonka huippulämpötilat olivat 49 °C:ssa ja 53 °C:ssa.
Varastoinnin aikana 60 °C:ssa näyte menettää osan vedestään. Tämän vuoksi DSC:ssä kuumennettaessa vapautuvan veden määrä vähenee, mikä alentaa entalpiahuippua 30 °C:n ja 130 °C:n välillä. Lisäksi vaikutukset siirtyvät hieman korkeampiin lämpötiloihin.
Kaikissa kolmessa mittauksessa havaitaan piikki 130-155 °C:n välillä, ja se vastaa melko hyvin farmaseuttisen magnesiumstearaatin teoreettista sulamisaluetta (130-145 °C [6]). Sen entalpia on kuitenkin paljon korkeampi 120 °C:ssa säilytetyssä näytteessä. Kuten edellä mainittiin, tämä korkeampi huippuentalpia 120 °C:ssa säilytyksen jälkeen liittyy todennäköisesti magnesiumstearaatin rakenteen muutokseen [5].
Päätelmä
Magnesiumstearaatin varastointi eri lämpötiloissa johtaa erilaiseen lämpökäyttäytymiseen, mikä näkyy DSC-käyrien muutoksena. Lämpökäsittely aiheuttaa eri tavoin sitoutuneen veden vapautumisen, jolloin veden vapautumislämpötila antaa viitteitä veden tyypistä (esim. pintavesi). Erot DSC-käyrissä johtuvat todennäköisesti myös näytteen kiderakenteen muutoksista varastoinnin aikana.
Kaupallisesti saatavilla olevat magnesiumstearaatit ovat erilaisten rasvahappojen seoksia, jotka voivat vaihdella valmistajakohtaisesti, joten TGA ja DSC ovat välttämättömiä välineitä tarkistettaessa ennen farmaseuttisen koostumuksen valmistamista.