Johdanto
Sitruunahappo on laajalti käytetty trikarboksyylihappo, jota esiintyy elintarvike-, lääke- ja kosmetiikkateollisuudessa sekä kemiallisissa sovelluksissa, kuten kelatoivina aineina ja biopohjaisten polymeerien synteesissä. Koska sitruunahappo altistuu usein korkeille lämpötiloille käsittelyn ja varastoinnin aikana, sen lämpöstabiilisuuden, dehydraatiokäyttäytymisen ja hajoamisreittien tarkka ymmärtäminen on olennaisen tärkeää, jotta vältetään vaikuttavien aineiden ei-toivottu menetys tai kaasumaisten hajoamistuotteiden vapautuminen. Samanaikainen lämpöanalyysi yhdistettynä vapautuneen kaasun analyysiin tarjoaa tehokkaan työkalun, jolla voidaan karakterisoida paitsi massahäviö ja siihen liittyvät lämpövaikutukset myös vapautuneiden haihtuvien aineiden kemiallinen koostumus, mikä mahdollistaa taustalla olevien lämpöprosessien luotettavan ja yksiselitteisen tulkinnan.
Mittausolosuhteet
Taulukko 1: Mittausolosuhteet
| Laite | STA Jupiter® FT-IR INVENIO |
|---|---|
| Näyte | Sitruunahappo |
| Näytteen massa | 14 mg |
| Lämpötila-alue | 30–400 °C |
| Lämmitysnopeus | 20 K/min |
| Ilmakehä | N2, 70 ml/min |
| Uunikuppi | Pt, 85 μl, rei'itetyllä kannella |
Tulokset ja keskustelu
Kuvion 1 TGA-DSC-käyrä osoittaa sitruunahapon monivaiheisen lämpökäyttäytymisen.
small -menetelmällä mitattu massahäviö on 4,2 % noin 100 °C:een asti, ja siihen liittyy laaja EndoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on endoterminen, jos muuntumiseen tarvitaan lämpöä.endoterminen DSC-signaali, jonka huippulämpötila on 59 °C, sekä DTG-huippu 66 °C:ssa. Tämä vaihe johtuu kiteisen veden vapautumisesta.
150 °C:ssa DSC-käyrä osoittaa jyrkän endotermisen huipun, joka johtuu sitruunahapon sulamisesta. Tämän lämpötilan yläpuolella materiaali siirtyy termisen hajoamisen alueelle. Tärkein hajoamisvaihe tapahtuu noin 190 °C:n ja 240 °C:n välillä ja johtaa merkittävään 90,8 %:n massahäviöön. DTG-käyrä osoittaa suurimman hajoamisnopeuden 221 °C:ssa, kun taas DSC-käyrä näyttää voimakkaan endotermisen piikin 223 °C:ssa. DTG- ja DSC-käyrien välinen tiivis yhdenmukaisuus vahvistaa, että suurin massahäviöprosessi liittyy suoraan endotermiseen hajoamisreaktioon.
TGA-DSC-tiedot antavat selkeää tietoa tapahtumien lämpötila-alueesta, massahäviöstä ja termisistä ominaisuuksista. Nämä tiedot eivät kuitenkaan yksinään riitä vapautuneiden kaasujen kemiallisen luonteen Identify ointiin. Tästä syystä termisen analyysin yhdistäminen vapautuneen kaasuvaiheen FT-IR-spektroskopiaan on välttämätöntä. Ensimmäistä massahäviövaihetta vastaavalla 60 °C:n lämpötilalla tallennettu FT-IR-spektri osoittaa kaasumaisen veden tyypillisen rotaatio-värähtelyhienorakenteen alueilla noin 3500–4000 cm⁻¹ ja 1300–2000 cm⁻¹, mikä vahvistaa, että alkuvaiheen matalalämpötilainen massahäviö johtuu fyysisesti tai löyhästi sitoutuneesta vedestä eikä mistään hajoamisreaktiosta, ks. kuva 2. Sen sijaan 220 °C:ssa tallennettu FT-IR-spektri, joka vastaa suurinta massahäviövaihetta, paljastaa kaksi hallitsevaa absorptiopiirrettä: hiilidioksidille tyypillisen kaksoiskaistan lähellä 2300–2360 cm⁻¹, sekä voimakas, terävä kaista lähellä 1750–1800 cm⁻¹, joka on omistettu karbonyylin venytysvärähtelyille. Nämä signaalit osoittavat, että pääasiallinen hajoamisvaihe johtuu sitruunahappomolekyylin dekarboksylaatiosta, jolloin muodostuu samanaikaisesti karbonyyliä sisältäviä fragmentteja.
Yhteenveto
Sitruunahapon lämpöominaisuuksien karakterisointi samanaikaisella TGA-DSC-menetelmällä yhdistettynä FT-IR-kaasuvaiheanalyysiin paljastaa kolmivaiheisen lämpöprofiilin, joka koostuu alkuvaiheen jäännöskosteuden menetyksestä, sulamisesta sekä merkittävästä dekarboksylaation aiheuttamasta hajoamisesta noin 200 °C:n yläpuolella. Lämpöanalyysin ja FT-IR-menetelmällä mitattujen kaasupäästöjen tietojen yhdistäminen osoittautui välttämättömäksi, jotta kukin lämpötapahtuma voitiin oikein liittää tiettyyn fysikaaliseen tai kemialliseen prosessiin. Tämä tarjosi vankan perustan sitruunahapon turvallisten käsittely- ja varastointilämpötilarajojen määrittämiselle teollisissa sovelluksissa.