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열 분석으로 해결한 스테아린산 마그네슘의 저장 거동 문제

소개

스테아린산 마그네슘은 화장품 및 의약품 생산에서 윤활제로 널리 사용됩니다. 시중에는 비율이 다를 수 있는 여러 지방산 염의 혼합물로 판매되고 있습니다. 또한 마그네슘스테아레이트는 일수화물, 이수화물 및 삼수화물로 찾을 수 있습니다. 실제로 이 물질의 물리적 특성, 특히 윤활 특성은 수분 함량과 수화 상태에 의해 영향을 받습니다. 이러한 이유로 마그네슘스테아레이트의 특성은 제조업체마다 상당히 다를 수 있습니다[2, 3].

스테아린산 마그네슘의 다양한 특성은 물질의 지문을 얻는 데 특히 쉽고 빠른 방법인 DSC를 통해 조사할 수 있습니다. 또 다른 열 분석 방법인 TGA는 마그네슘스테아레이트의 수화 상태에 대한 정보를 제공하는 데 도움이 될 수 있습니다.

다음에서는 스테아르산 마그네슘 샘플을 DSC 및 TGA 측정을 통해 특성화했습니다. 또한 건조한 질소 분위기에서 60°C와 120°C에서 2시간 동안 보관한 결과 열적 특성에 미치는 영향을 연구했습니다.

1) 스테아린산 마그네슘의 화학식 [1]

테스트 조건

측정은 동적 질소 분위기에서 DSC 214 Polyma 및 TG 209 Libra® 를 사용하여 수행했습니다. 뚜껑이 뚫린 밀봉된 Concavus® 도가니를 사용했습니다.

테스트 결과

그림 2는 스테아린산 마그네슘의 TGA 곡선을 보여줍니다. 실온과 125°C 사이에서 샘플은 수분 방출로 인해 초기 질량의 3.5%를 잃습니다. 이 온도 범위에서 DTG 곡선(TGA 곡선의1차 미분)에서 두 개의 피크가 감지되는데, 이는 두 단계를 나타냅니다: 먼저 표면 수분이 증발하고(1차 질량 손실 단계 1.1%), 수화물 물이 방출됩니다(2차 질량 손실 단계 2.4%) 스테아르산 마그네슘의 몰 질량이 591.27g/몰이면 이론적으로 단수화물 형태의 경우 2.95%, 이수화물의 경우 5.74%, 삼수화물 형태의 경우 8.37%의 수분 손실이 발생하게 됩니다. 따라서 검출된 질량 손실은 일수화물 형태의 마그네슘스테아레이트에 대한 표시입니다: 가열하는 동안 시료는 결정 수분이 방출되기 전에 먼저 표면 수분을 잃습니다(1차 질량 손실 단계 1.1.%).

이 결과는 [4]에서 D. Lugge가 설명한 TGA 곡선으로 확인할 수 있습니다: 순수한 스테아르산 마그네슘 이수화물과 순수한 삼수화물의 경우, 질량 손실은 더 낮은 온도에서 발생합니다.

따라서 측정된 시료에는 적어도 일수화물 형태의 마그네슘스테아레이트가 포함되어 있습니다. 실온과 125°C 사이의 이론적 수분 손실률 2.95%와 측정된 3.5%의 차이는 표면 수분의 증발 및/또는 시료에 이수화물/삼수화물의 존재로 인해 발생할 수 있습니다.

2) 접수된 마그네슘 스테아레이트에 대한 TGA 측정, 실선: TGA 곡선, 점선: DTG 곡선

그림 3은 200°C로 가열하는 동안의 마그네슘스테아레이트의 DSC 곡선을 보여줍니다. 78.3°C, 91.8°C, 95.8°C 및 116.0°C에서 검출된 피크는 부분적으로 표면 수분과 결합 수분의 방출로 인한 것으로 TGA에 표시되어 있습니다. 증발 과정은 아마도 샘플 성분의 용융과 겹쳐진 것으로 보입니다.

145.2°C에서의 흡열 효과는 질량 손실과 관련이 없으며 시료 구성 성분의 용융으로 인한 것일 수 있습니다.

3) 받은 마그네슘 스테아레이트에 대한 DSC 측정

그림 4는 60°C(빨간색 곡선)와 120°C(검은색 곡선)에서 각각 2시간 동안 보관한 후 받은 마그네슘 스테아레이트의 DSC 곡선과 재료의 DSC 곡선을 표시합니다.

4) 마그네슘스테아레이트의 DSC, 4는 받은 상태(파란색 곡선)와 60°C(빨간색 곡선) 및 120°C(검은색 곡선)에서 보관한 후입니다

120°C(검은색 곡선)에서 보관한 결과 DSC 프로파일이 완전히 바뀌었습니다: 수화물이 제거되었습니다. 에르텔과 카스텐센[5]에 따르면 105°C에서 가열하면 수분이 제거될 뿐만 아니라 결정의 구조도 바뀐다고 합니다. 여기서 120°C에서 보관한 결과 최고 온도가 49°C와 53°C인 구조가 만들어졌습니다.

60°C에서 보관하는 동안 샘플은 수분의 일부를 잃게 됩니다. 따라서 DSC에서 가열하는 동안 방출되는 물의 양이 감소하여 30°C에서 130°C 사이의 피크 엔탈피가 낮아집니다. 또한 그 효과는 더 높은 온도로 약간 이동합니다.

세 측정 모두에서 130°C에서 155°C 사이의 피크가 감지되었으며, 이는 제약 등급 마그네슘 스테아레이트의 이론적 용융 범위(130°C ~ 145°C[6])와 상당히 잘 일치합니다. 그러나 120°C에서 보관한 시료의 엔탈피는 훨씬 더 높았습니다. 위에서 언급했듯이 120°C에서 보관한 후 이렇게 높은 피크 엔탈피는 아마도 마그네슘스테아레이트의 구조 변화와 관련이 있을 것입니다[5].

결론

스테아린산 마그네슘을 다른 온도에서 보관하면 열 거동이 달라지며, 이는 DSC 곡선의 변화에서 확인할 수 있습니다. 열처리는 서로 다른 결합된 물의 방출을 유발하며, 물 방출 온도는 물의 종류(예: 지표수)를 나타냅니다. DSC 곡선의 차이는 보관 중 시료의 결정 구조 변화로 인해 발생할 수도 있습니다.

시판되는 마그네슘스테아레이트는 제조업체마다 다를 수 있는 다양한 지방산의 혼합물이기 때문에 제약 조성물을 준비하기 전에 TGA 및 DSC는 검증에 필수적인 도구입니다.

Literature

  1. [1]
    https://en.wikipedia.org/wiki/Magnesium_stearate
  2. [2]
    식물성 등급 마그네슘스테아레이트의 온도 및 습도 영향, Mikko Koivisto, Hannu Jalonen, Vesa-Pekka Lehto, Powder Technology 147 (2004) 79-85
  3. [3]
    의약품의 열 분석, Duncan 편집 Q.M. Craig, Mike Reading
  4. [4]
    분말 및정제 윤활제로서의 스테아린산 마그네슘 이야기, 더그 루게 API 개발 및 엔지니어링 말린크로트 이사
  5. [5]
    K.D. Ertel, JT. 카스텐센,순수 스테아르 산 마그네슘의 물리적 특성 조사, Int. J. Pharm.1988, 42, p 171 - 180