Bevezetés
A magnézium-sztearát egy fehér por, amelyet kenőanyagként használnak a kozmetikumok és gyógyszerek gyártásában [5]. Fizikai tulajdonságai tételenként változhatnak, mivel a kereskedelmi forgalomban kapható magnézium-sztearát különböző zsírsavak sóinak keveréke, amelyek aránya változhat [4]. Ezenkívül tulajdonságai nagymértékben függnek a nedvességtartalomtól és a hidratáltsági állapottól [1]. A magnézium-sztearát változó tulajdonságai DSC-vel vizsgálhatók, amely különösen gyors és egyszerű módszer az anyag ujjlenyomatának meghatározására. Egy másik hőelemzési módszer, a TGA a tiszta magnézium-sztearát hidratáltsági állapotának kimutatására használható. A következőkben egy magnézium-sztearátmintát DSC, TGA és PXRD (por röntgendiffrakciós) mérésekkel jellemeztünk. Ezen túlmenően megvizsgálták a két hétig tartó, nedves légkörben történő tárolás hatását a termikus tulajdonságokra.
Vizsgálati feltételek
A nedvességkezeléshez a mintát egy lezárt víztartály vize fölé helyezett nyitott edényben tárolták két hétig. A méréseket egy DSC 214 Polyma és egy TG 209 Libra® készülékkel végeztük dinamikus nitrogén atmoszférában. Lezárt Concavus® tégelyeket használtunk lyukacsos fedéllel. A PXRD méréseket a solid-chem GmbH Bruker D8 Advance készülékével végeztük.
Teszteredmények
A magnézium-sztearát TGA-méréseit nedvességkezeléssel és anélkül a 2a. és 2b. ábra mutatja (a 2a. ábra nagyítása).
A minta szobahőmérséklet és 130°C között a kezdeti tömegének 3,5%-át veszíti el (folytonos görbe). Az első derivált görbe (DTG) két csúcsából ebben a hőmérséklettartományban látható, hogy ezek a folyamatok két lépésben zajlanak: az első, 1,8%-os tömegveszteség 100°C-ig a felszíni víz PárologtatásEgy elem vagy vegyület elpárolgása fázisátalakulás a folyékony fázisból gőzzé. A párolgásnak két típusa létezik: a párolgás és a forrás.elpárolgásának köszönhető; a második tömegveszteség 1,7% 100°C és 130°C között, ami a hidrátvíz felszabadulásának felel meg.
A nedves légkörben történő tárolás után vizsgált minta esetében szintén mindkét lépés jelen van, de az első nagyobb tömegveszteséggel jár.
A [6]-ban leírt eredmények szerint a hidrátvíz felszabadulása miatti tömegveszteség a trihidrát esetében 65°C körül kezdődik, a dihidrát esetében 85°C, a monohidrát esetében pedig 95°C körül. A magnézium-sztearát molekulatömege 591,257 g/mol [2]. Ez a monohidrát esetében 609,257 g/mol, a dihidrát esetében 627,257 g/mol és a trihidrát esetében 645,257 g/mol molekulatömeget eredményez. Következésképpen a hidratációs vízveszteség a tiszta monohidrát esetében 2,95%, a tiszta dihidrát esetében 5,74% és a trihidrát esetében 8,37%. Ez azt jelzi, hogy a nedvességkezelés nélküli minta a különböző hidratáltsági állapotú magnézium-sztearát keveréke, és emellett felületi vizet is tartalmaz.
A minta nedves légkörben történő tárolása a vízfelszabadulásból eredő első lépcsőfok növekedéséhez vezet. [1] szerint a nedvességkezelésnek nincs hatása a magnézium-sztearát hidratációs állapotaira. Következésképpen a nedvességkezelés után a szobahőmérséklet és 130°C között megfigyelt nagyobb tömegveszteség a felületi víz adszorpciójából vagy a kristályszerkezetben felszívódott vízből származik.
A Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlás mindkét minta esetében 350°C körül kezdődik (extrapolált kezdeti hőmérséklet), és két lépésben zajlik, a teljes tömegveszteség 89% (tárolás nélküli minta) és 86% (tárolás utáni minta). A TGA-görbe meredeksége 350°C és 370°C között gyors reakcióra utal az első bomlási lépés során.
A 3. ábra a magnézium-sztearát vízkezelés nélküli DSC-mérését mutatja. A szobahőmérséklet és 130 °C között széleskörű EndotermikusEgy mintaátalakulás vagy reakció endoterm, ha az átalakuláshoz hőre van szükség.endotermikus hatás észlelhető 77 °C, 90 °C és 115 °C csúcshőmérsékletekkel. Ennek egy része megfelel a TGA-görbén észlelt víz PárologtatásEgy elem vagy vegyület elpárolgása fázisátalakulás a folyékony fázisból gőzzé. A párolgásnak két típusa létezik: a párolgás és a forrás.elpárolgásának. Ezt esetleg átfedheti a minta olvadása, amely szintén EndotermikusEgy mintaátalakulás vagy reakció endoterm, ha az átalakuláshoz hőre van szükség.endotermikus csúcsot eredményez. Egyes hivatkozások 130°C és 145°C közötti olvadási tartományt jeleznek [3], mások pedig 88°C-os olvadási csúcsot [2]. Az adatok szórása abból a tényből adódik, hogy a kereskedelmi forgalomban kapható magnézium-sztearát nagyon gyakran a fent leírtaktól eltérő zsírsavsók keverékéből áll. Az egyes komponensek variálásával az anyag tulajdonságai tételenként változhatnak [4].
A második hevítés (piros görbe) azt mutatja, hogy az első hevítés után csak a 31 °C-os csúcs és a 120 °C és 150 °C közötti hőmérséklet-tartományban az EndotermikusEgy mintaátalakulás vagy reakció endoterm, ha az átalakuláshoz hőre van szükség.endotermikus hatás maradt meg. Ez reverzibilis folyamatra, például az összetevők Olvadási hőmérsékletek és EnthalpiákEgy anyag fúziós entalpiája, más néven látens hő, annak az energiabevitelnek, jellemzően hőnek a mértéke, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárd állapotból folyékony állapotba kerüljön. Egy anyag olvadáspontja az a hőmérséklet, amelyen szilárd (kristályos) állapotból folyékony (izotróp olvadék) állapotot vált.olvadására utal. A kilyukasztott fedél alkalmazása miatt a víz (mind az adszorbeált, mind a kémiailag kötött) ezen a hőmérsékleten már nincs jelen a minta belsejében. Ezért lehetséges, hogy a 145°C (1. melegítés) vagy 141°C (2. melegítés) csúcsok a vízmentes magnézium-sztearát olvadási tartományához kapcsolódnak.
A 4. ábra a magnézium-sztearát DSC-görbéit (1. és 2. fűtés) mutatja a nedves légkörben történő tárolás után. A 3. ábrával összehasonlítva jól megfigyelhető a nedvességkezelés hatása. A nedvességtartalom erősen befolyásolja az 1. fűtés során szobahőmérséklet és 130 °C között észlelt EndotermikusEgy mintaátalakulás vagy reakció endoterm, ha az átalakuláshoz hőre van szükség.endotermikus hatásokat, ami a fizikai tulajdonságokban mutatkozó különbségekkel jár együtt, ahogyan azt az irodalomban [1] megállapítják.
A második felmelegedés azonban nagyon hasonló az eredeti mintához. A 250 °C-ra történő hevítés és a száraz atmoszférában történő szabályozott hűtés után mindkét minta ugyanazt az állapotot éri el. Az észlelt csúcsok az összetevők Olvadási hőmérsékletek és EnthalpiákEgy anyag fúziós entalpiája, más néven látens hő, annak az energiabevitelnek, jellemzően hőnek a mértéke, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárd állapotból folyékony állapotba kerüljön. Egy anyag olvadáspontja az a hőmérséklet, amelyen szilárd (kristályos) állapotból folyékony (izotróp olvadék) állapotot vált.olvadásának köszönhetőek.
Annak érdekében, hogy az egyes komponenseket jobban jellemezhessük, röntgendiffrakciós (PXRD) méréseket végeztünk mindkét - eredeti és vízzel kezelt - mintán (5. ábra).
A PXRD-minták egyértelműen különböznek a kb. 20° és 23,5° 2θ-nál lévő csúcsok tekintetében. Ezek mindkét mintában jelen vannak, de intenzitásuk a nedvességkezeléssel nő. Ez azt jelenti, hogy a hidrát, amely már az eredeti mintában is jelen volt, a nedves légkörben történő tárolás során egyre inkább kialakul. A röntgenminta összehasonlítása az irodalmi adatokkal [6] megerősíti a trihidrátot, miközben a 20° és 23,5° 2θ csúcsokra koncentrál.
A hidrátformák nedvesség jelenlétében stabilak [1], így a trihidrát az eredeti mintában jelen lévő anhidrátból képződik. Ez az eredmény megerősíti LV Allen és PE Luner [7] értékelését, miszerint a magnézium-sztearát vízmentes formája 50%-nál nagyobb relatív páratartalom mellett rehidratálódik trihidráttá.
Következtetés
A magnézium-sztearáton DSC- és TGA-méréseket végeztek nedves légkörben történő tárolással és anélkül. A vízkezelés lehetővé tette mind a felületi víz, mind a kristályvíz növekedését.
Ez az ismeret annál is inkább fontos, mert a nedvességkezelés és a magnézium-sztearát fizikai tulajdonságai között összefüggés van [1], ezért a feldolgozás előtt elengedhetetlen a termék ellenőrzése. E célból a DSC és a TGA hasznos eszközök, amelyek lehetővé teszik a különböző tételek gyors jellemzését és/vagy összehasonlítását.
Visszaigazolás
NETZSCH köszönetet mond a bochumi Solid-chem GmbH-nak a PXRD mérések és a kiértékelés elvégzéséért.