소개
마그네슘스테아레이트는 화장품 및 의약품 생산 시 윤활제로 사용되는 백색 분말입니다[5]. 시판되는 스테아린산 마그네슘은 비율이 다를 수 있는 다양한 지방산 염이 혼합되어 있기 때문에 물리적 특성이 배치마다 다를 수 있습니다[4]. 또한 그 특성은 수분 함량과 수분 상태에 따라 크게 달라집니다[1]. 마그네슘스테아레이트의 다양한 특성은 물질의 지문을 얻는 데 특히 빠르고 쉬운 방법인 DSC를 통해 조사할 수 있습니다. 또 다른 열 분석 방법인 TGA는 순수한 스테아르산 마그네슘의 수화 상태를 나타내는 데 사용할 수 있습니다. 다음에서는 마그네슘스테아레이트 샘플을 DSC, TGA 및 PXRD(분말 X선 회절) 측정을 통해 특성화했습니다. 또한 습한 대기에서 2주간 보관했을 때 열적 특성에 미치는 영향도 연구했습니다.
테스트 조건
수분 처리를 위해 샘플을 밀폐된 물통의 물 위에 놓인 열린 용기에 2주간 보관했습니다. 측정은 동적 질소 분위기에서 DSC 214 Polyma 및 TG 209 Libra® 를 사용하여 수행했습니다. 뚜껑이 뚫린 밀폐된 Concavus® 도가니가 사용되었습니다. PXRD 측정은 solid-chem GmbH의 Bruker D8 Advance로 수행했습니다.
테스트 결과
수분 처리 유무에 따른 스테아린산 마그네슘의 TGA 측정값은 그림 2a와 2b에 나와 있습니다(그림 2a의 확대).
샘플은 실온과 130°C 사이에서 초기 질량의 3.5%를 잃습니다(연속 곡선). 이 온도 범위의 첫 번째 미분 곡선(DTG)에서 두 개의 피크에서 이러한 과정이 두 단계로 진행됨을 알 수 있습니다. 100°C까지 1.8%의 첫 번째 질량 손실은 지표수 증발로 인한 것이고, 100°C에서 130°C 사이에는 1.7%의 질량 손실 단계가 발생하며 이는 하이드레이트 수 방출에 해당합니다.
습한 대기에서 보관 후 테스트한 샘플의 경우에도 두 단계가 모두 존재하지만 첫 번째 단계가 더 높은 질량 손실과 관련이 있습니다.
6]에 설명된 결과에 따르면, 수화물수 방출로 인한 질량 손실은 삼수화물의 경우 약 65°C, 이수화물의 경우 85°C, 일수화물 형태의 경우 95°C에서 시작됩니다. 또한 마그네슘스테아레이트의 분자 질량은 591.257g/mol입니다[2]. 따라서 일수화물의 경우 분자량이 609.257g/mol, 이수화물의 경우 627.257g/mol, 삼수화물의 경우 645.257g/mol이 됩니다. 결과적으로 수분 손실은 순수 일수화물의 경우 2.95%, 순수 이수화물의 경우 5.74%, 삼수화물의 경우 8.37%입니다. 이는 수분 처리를 하지 않은 시료가 다양한 수화 상태의 스테아린산 마그네슘 혼합물이며 표면 수분을 추가로 포함하고 있음을 나타냅니다.
습한 대기에서 시료를 보관하면 수분 방출로 인한 첫 번째 단계가 증가합니다. 1]에 따르면 습기 처리는 스테아르산마그네슘의 수화 상태에 영향을 미치지 않습니다. 따라서 습도 처리 후 실온과 130°C 사이에서 관찰되는 높은 질량 손실은 표면 수분의 흡착 또는 결정 구조에 흡수된 물에서 비롯됩니다.
두 샘플의 분해는 약 350°C(추정 시작 온도)에서 시작하여 총 89%(보관하지 않은 샘플)와 86%(보관 후 샘플)의 질량 손실로 두 단계로 진행됩니다. 350°C와 370°C 사이의 TGA 곡선 기울기가 급격한 것은 첫 번째 분해 단계에서 빠른 반응이 일어나고 있음을 나타냅니다.
그림 3은 수처리 없이 마그네슘스테아레이트의 DSC 측정 결과를 보여줍니다. 실온과 130°C 사이에서 77°C, 90°C, 115°C의 피크 온도를 가진 광범위한 흡열 효과가 감지됩니다. 이 중 일부는 TGA 곡선에서 감지된 물의 증발에 해당합니다. 시료의 용융과 겹칠 수 있으며, 이로 인해 흡열 피크가 발생할 수도 있습니다. 일부 참고 문헌에서는 130°C에서 145°C 사이의 용융 범위를 나타내고[3], 다른 참고 문헌에서는 88°C에서 용융 피크를 나타냅니다[2]. 데이터의 산란은 시판되는 스테아린산 마그네슘이 위에서 설명한 것과는 다른 지방산 염의 혼합물로 구성되어 있는 경우가 많기 때문에 발생합니다. 개별 성분의 변화로 인해 물질의 특성은 배치마다 다를 수 있습니다 [4].
두 번째 가열(빨간색 곡선)은 첫 번째 가열 후 31°C의 피크와 120°C에서 150°C 사이의 온도 범위에서 흡열 효과만 남아 있음을 보여줍니다. 이는 구성 성분의 용융과 같은 가역적인 과정을 나타냅니다. 구멍이 뚫린 뚜껑을 적용했기 때문에 이 온도에서는 시료 내부에 물(흡착 및 화학적으로 결합된 물 모두)이 더 이상 존재하지 않습니다. 따라서 145°C(1차 가열) 또는 141°C(2차 가열)의 피크는 수분이 없는 스테아르산 마그네슘의 용융 범위와 관련이 있을 수 있습니다.
그림 4는 습한 대기에서 보관 후 스테아린산 마그네슘의 DSC 곡선(1차 및 2차 가열)을 보여줍니다. 그림 3과 비교하면 습기 처리의 영향을 쉽게 관찰할 수 있습니다. 상온과 130°C 사이의 1차 가열에서 감지된 흡열 효과에 강한 영향을 미치며, 이는 문헌 [1]에 명시된 물리적 특성의 차이와 관련이 있습니다.
그러나 두 번째 가열은 원래 샘플의 가열과 매우 유사합니다. 250°C로 가열하고 건조한 대기에서 냉각을 제어한 후 두 샘플은 동일한 상태에 도달합니다. 검출된 피크는 성분의 용융으로 인한 것입니다.
개별 성분의 특성을 더 잘 파악하기 위해 원본 샘플과 수처리된 샘플 모두에 대해 X-선 회절(PXRD) 측정을 수행했습니다(그림 5).
약 20°와 23.5° 2θ의 피크에 대해 PXRD 패턴이 명확하게 다릅니다. 두 샘플 모두에 존재하지만 수분 처리에 따라 강도가 증가합니다. 이는 원래 시료에 이미 존재했던 수화물이 습한 대기에서 보관하는 동안 점점 더 많이 형성된다는 것을 의미합니다. X-선 패턴을 문헌 데이터[6]와 비교하면 20°와 23.5° 2θ의 피크에 집중된 삼수화물이 확인됩니다.
수화물 형태는 수분이 존재할 때 안정적이므로[1], 삼수화물은 원래 샘플에 존재하는 무수화물에서 형성됩니다. 이 결과는 무수 형태의 스테아린산 마그네슘이 50% 이상의 상대 습도에서 삼수화물을 형성하기 위해 재수화된다는 LV Allen과 PE Luner[7]의 평가를 확인시켜 줍니다.
결론
습한 대기에서 저장 유무에 관계없이 스테아린산 마그네슘에 대해 DSC 및 TGA 측정을 수행했습니다. 수처리를 통해 표면수와 결정수 모두 증가했습니다.
수분 처리와 스테아린산 마그네슘의 물리적 특성 사이에는 상관관계가 있으므로[1], 처리 전에 제품을 검사하는 것이 매우 중요하기 때문에 이러한 지식은 더욱 중요합니다. 이를 위해 DSC와 TGA는 여러 로트를 빠르게 특성화하거나 비교할 수 있는 유용한 도구입니다.
승인
NETZSCH 는 독일 보훔의 솔리드켐(Solid-Chem GmbH)이 PXRD 측정 및 평가를 수행한 것에 대해 감사의 말씀을 전합니다.