Johdanto
Magnesiumstearaatti on valkoinen jauhe, jota käytetään voiteluaineena kosmetiikan ja lääkkeiden valmistuksessa [5]. Sen fysikaaliset ominaisuudet voivat vaihdella erästä toiseen, koska kaupallinen magnesiumstearaatti on sekoitus eri rasvahapposuoloja, joiden suhde voi vaihdella [4]. Lisäksi sen ominaisuudet riippuvat suuresti sen kosteuspitoisuudesta ja hydrataatiotilasta [1]. Magnesiumstearaatin vaihtelevia ominaisuuksia voidaan tutkia DSC:llä, joka on erityisen nopea ja helppo menetelmä materiaalin sormenjäljen saamiseksi. Toista lämpöanalyysimenetelmää, TGA:ta, voidaan käyttää puhtaan magnesiumstearaatin hydrataatiotilan osoittamiseen. Seuraavassa magnesiumstearaattinäyte karakterisoitiin DSC-, TGA- ja PXRD-mittauksilla (jauhe-röntgendiffraktio). Lisäksi tutkittiin, miten kahden viikon varastointi kosteassa ilmakehässä vaikuttaa lämpöominaisuuksiin.
Testiolosuhteet
Kosteuskäsittelyä varten näyte säilytettiin kahden viikon ajan avoimessa astiassa, joka oli suljetun vesiastian veden yläpuolella. Mittaukset suoritettiin DSC 214 Polyma ja TG 209 Libra® -laitteilla dynaamisessa typpi-ilmakehässä. Käytettiin suljettuja Concavus® upokkaita, joissa oli lävistetty kansi. PXRD-mittaukset tehtiin Bruker D8 Advance -laitteella solid-chem GmbH:ssa.
Testitulokset
Magnesiumstearaatin TGA-mittaukset kosteuskäsittelyn kanssa ja ilman kosteuskäsittelyä on esitetty kuvissa 2a ja 2b (kuvan 2a zoomaus).
Näyte menettää 3,5 % alkuperäisestä massastaan huoneenlämpötilan ja 130 °C:n välillä (jatkuva käyrä). Ensimmäisen derivaattakäyrän (DTG) kahdesta piikistä tällä lämpötila-alueella nähdään, että nämä prosessit etenevät kahdessa vaiheessa: ensimmäinen 1,8 prosentin massahäviö 100 °C:een asti johtuu pintaveden haihtumisesta; toinen massahäviö on 1,7 prosenttia 100 °C:n ja 130 °C:n välillä ja vastaa hydraattiveden vapautumista.
Kosteassa ilmakehässä säilytetyn näytteen osalta molemmat vaiheet esiintyvät, mutta ensimmäiseen vaiheeseen liittyy suurempi massahäviö.
Kirjassa [6] kuvattujen tulosten mukaan hydraattiveden vapautumisesta johtuva massahäviö alkaa noin 65 °C:n lämpötilassa trihydraatilla, 85 °C:n lämpötilassa dihydraatilla ja 95 °C:n lämpötilassa monohydraattimuodolla. Lisäksi magnesiumstearaatin molekyylimassa on 591,257 g/mol [2]. Tästä seuraa, että monohydraatin molekyylimassa on 609,257 g/mol, dihydraatin 627,257 g/mol ja trihydraatin 645,257 g/mol. Näin ollen hydrataatiohäviö olisi 2,95 % puhtaalle monohydraatille, 5,74 % puhtaalle dihydraatille ja 8,37 % trihydraatille. Tämä osoittaa, että näyte ilman kosteuskäsittelyä on eri hydrataatiotiloissa olevan magnesiumstearaatin seos ja sisältää lisäksi pintavettä.
Näytteen varastointi kosteassa ilmakehässä johtaa veden vapautumisesta johtuvan ensimmäisen vaiheen lisääntymiseen. [1] mukaan kosteuskäsittelyllä ei ole vaikutusta magnesiumstearaatin hydrataatiotiloihin. Näin ollen kosteuskäsittelyn jälkeen huoneenlämpötilan ja 130 °C:n välillä havaittu suurempi massahäviö on peräisin pintaveden adsorptiosta tai kiderakenteeseen absorboituneesta vedestä.
Molempien näytteiden HajoamisreaktioHajoamisreaktio on kemiallisen yhdisteen lämpöreaktio, jossa muodostuu kiinteitä ja/tai kaasumaisia tuotteita. hajoaminen alkaa noin 350 °C:n lämpötilassa (ekstrapoloidut alkamislämpötilat) ja tapahtuu kahdessa vaiheessa, ja kokonaismassahäviö on 89 % (näyte ilman varastointia) ja 86 % (näyte varastoinnin jälkeen). TGA-käyrän jyrkkä kaltevuus 350 °C:n ja 370 °C:n välillä viittaa nopeaan reaktioon ensimmäisen hajoamisvaiheen aikana.
Kuvassa 3 esitetään magnesiumstearaatin DSC-mittaus ilman vesikäsittelyä. Huonelämpötilan ja 130 °C:n välillä havaitaan laaja EndoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on endoterminen, jos muuntumiseen tarvitaan lämpöä.endoterminen vaikutus, jonka huippulämpötilat ovat 77 °C, 90 °C ja 115 °C. Osa siitä vastaa TGA-käyrässä havaittua veden haihtumista. Se voi mahdollisesti olla päällekkäinen näytteen sulamisen kanssa, joka myös johtaa endotermiseen piikkiin. Joissakin viitteissä ilmoitetaan sulamisalueen olevan 130 °C:n ja 145 °C:n välillä [3] ja toisissa sulamispiikki 88 °C:ssa [2]. Tietojen hajonta johtuu siitä, että kaupallisesti saatavilla oleva magnesiumstearaatti koostuu hyvin usein eri rasvahapposuolojen seoksesta kuin edellä on kuvattu. Yksittäisten komponenttien vaihtelun vuoksi aineen ominaisuudet voivat vaihdella eräkohtaisesti [4].
Toinen kuumentaminen (punainen käyrä) osoittaa, että ensimmäisen kuumentamisen jälkeen on jäljellä vain piikki 31 °C:n lämpötilassa ja EndoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on endoterminen, jos muuntumiseen tarvitaan lämpöä.endoterminen vaikutus 120 °C:n ja 150 °C:n välisellä lämpötila-alueella. Tämä viittaa palautuvaan prosessiin, kuten ainesosien sulamiseen. Lävistetyn kannen käytön vuoksi vettä (sekä adsorboitunutta että kemiallisesti sitoutunutta) ei enää ole näytteen sisällä tässä lämpötilassa. Siksi on mahdollista, että piikit 145 °C:ssa (1. kuumentaminen) tai 141 °C:ssa (2. kuumentaminen) liittyvät vedettömän magnesiumstearaatin sulamisalueeseen.
Kuvassa 4 esitetään magnesiumstearaatin DSC-käyrät (1. ja 2. lämmitys) sen jälkeen, kun sitä on säilytetty kosteassa ilmakehässä. Kuvaan 3 verrattuna kosteuskäsittelyn vaikutus on helposti havaittavissa. Sillä on voimakas vaikutus endotermisiin vaikutuksiin, jotka havaittiin 1. lämmityksessä huoneenlämpötilan ja 130 °C:n välillä ja jotka liittyvät eroihin fysikaalisissa ominaisuuksissa, kuten kirjallisuudessa on todettu [1].
Toinen lämmitys on kuitenkin hyvin samanlainen kuin alkuperäisessä näytteessä. Kuumennuksen 250 °C:een ja hallitun jäähdytyksen jälkeen kuivassa ilmakehässä molemmat näytteet saavuttavat saman tilan. Havaitut piikit johtuvat ainesosien sulamisesta.
Jotta yksittäisiä komponentteja voitaisiin luonnehtia paremmin, röntgendiffraktiomittaukset (PXRD) tehtiin molemmille näytteille - alkuperäiselle ja vesikäsitellylle (kuva 5).
PXRD-kuviot eroavat selvästi toisistaan noin 20° ja 23,5° 2θ:n piikkien osalta. Niitä esiintyy molemmissa näytteissä, mutta niiden voimakkuus kasvaa kosteuskäsittelyn yhteydessä. Tämä tarkoittaa, että hydraatti, jota oli jo alkuperäisessä näytteessä, muodostuu yhä enemmän varastoitaessa kosteassa ilmakehässä. Röntgenkuvion vertailu kirjallisuustietoihin [6] vahvistaa, että kyseessä on trihydraatti keskittyen piikkeihin 20° ja 23,5° 2θ.
Hydraattimuodot ovat stabiileja kosteuden läsnä ollessa [1], joten trihydraatti muodostuu alkuperäisessä näytteessä olevasta anhydraatista. Tämä tulos vahvistaa LV Allenin ja PE Lunerin [7] arvion, jonka mukaan magnesiumstearaatin vedetön muoto rehydraatistuu muodostaen trihydraatin yli 50 prosentin suhteellisessa kosteudessa.
Päätelmä
Magnesiumstearaatille tehtiin DSC- ja TGA-mittaukset, kun sitä säilytettiin kosteassa ilmakehässä ja kun sitä ei säilytetty. Vesikäsittelyn ansiosta sekä pintavesi että kiteinen vesi kasvoivat.
Tämä tieto on sitäkin tärkeämpi, koska kosteuskäsittelyn ja magnesiumstearaatin fysikaalisten ominaisuuksien välillä on korrelaatio [1]; siksi on ratkaisevan tärkeää tehdä tuotteelle tarkastuksia ennen jalostusta. Tätä varten DSC ja TGA ovat hyödyllisiä välineitä, joiden avulla voidaan nopeasti karakterisoida ja/tai vertailla eri eriä.
Kuittaus
NETZSCH kiittää Bochumissa, Saksassa toimivaa solid-chem GmbH:ta PXRD-mittausten ja arvioinnin suorittamisesta.