Inleiding
Magnesiumstearaat wordt veel gebruikt als smeermiddel bij de productie van cosmetica en geneesmiddelen. Het is commercieel verkrijgbaar als een mix van verschillende vetzuurzouten die in verhouding kunnen variëren. Bovendien komt magnesiumstearaat voor als monohydraat, dihydraat en trihydraat. De fysische eigenschappen en vooral de smeereigenschappen van dit materiaal worden beïnvloed door het vochtgehalte en de hydratatietoestand. Om deze redenen kunnen de eigenschappen van magnesiumstearaat per fabrikant aanzienlijk verschillen [2, 3].
De variërende eigenschappen van magnesiumstearaat kunnen worden onderzocht met behulp van DSC, wat een bijzonder gemakkelijke en snelle methode is om een vingerafdruk van de stof te verkrijgen. Een andere thermische analysemethode, TGA, kan een indicatie geven over de hydratatietoestand van magnesiumstearaat.
In het volgende werd een magnesiumstearaatmonster gekarakteriseerd door middel van DSC- en TGA-metingen. Daarnaast werd de invloed op de thermische eigenschappen bestudeerd van een opslagperiode van 2 uur bij 60°C en 120°C in een droge stikstofatmosfeer.
Testomstandigheden
De metingen werden uitgevoerd met een DSC 214 Polyma en een TG 209 Libra® in een dynamische stikstofatmosfeer. Er werd gebruik gemaakt van verzegelde Concavus® kroezen met doorboord deksel.
Testresultaten
Figuur 2 toont de TGA-curve van magnesiumstearaat. Tussen kamertemperatuur en 125°C verliest het monster 3,5% van zijn oorspronkelijke massa, als gevolg van het vrijkomen van water. In dit temperatuurbereik worden twee pieken gedetecteerd in de DTG-curve (1e afgeleide van de TGA-curve) die twee stappen aangeven: eerst verdampt het oppervlaktewater (1e massaverliesstap 1,1%), daarna komt het hydraatwater vrij (2e massaverliesstap 2,4%) Een molaire massa van 591,27 g/mol voor magnesiumstearaat resulteert in een theoretisch waterverlies van 2,95% voor de monohydraatvorm, 5,74% voor de dihydraatvorm en 8,37% voor de trihydraatvorm. Daarom is het gedetecteerde massaverlies een indicatie voor de monohydraatvorm van magnesiumstearaat: Tijdens verhitting verliest het monster eerst zijn oppervlaktewater (1e massaverliesstap 1.1.%) voordat het kristalwater vrijkomt.
Dit resultaat kan worden bevestigd door de TGA-curves beschreven door D. Lugge in [4]: Voor een zuiver magnesiumstearaat dihydraat en zuiver trihydraat zou het massaverlies bij een lagere temperatuur plaatsvinden.
Daarom bevat het gemeten monster ten minste de monohydraatvorm van magnesiumstearaat. Het verschil tussen het theoretische waterverlies van 2,95% en het gemeten verlies van 3,5% tussen kamertemperatuur en 125°C kan komen door de VerdampingDe verdamping van een element of verbinding is een faseovergang van de vloeibare fase naar damp. Er bestaan twee soorten verdamping: verdamping en koken.verdamping van oppervlaktewater en/of door de aanwezigheid van dihydraat/trihydraat in het monster.
Figuur 3 toont de DSC-curve van magnesiumstearaat tijdens verhitting tot 200°C. De pieken gedetecteerd bij 78,3°C, 91,8°C, 95,8°C en 116,0°C zijn gedeeltelijk te wijten aan het vrijkomen van oppervlaktewater en gebonden water, zoals aangegeven door TGA. Het verdampingsproces wordt waarschijnlijk overlapt door het Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelten van de monstercomponenten.
Het endotherme effect bij 145,2°C gaat niet gepaard met massaverlies en is waarschijnlijk te wijten aan het Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelten van een bestanddeel van het monster.
Figuur 4 toont de DSC-curves van magnesiumstearaat zoals ontvangen samen met de DSC-curves van het materiaal na opslag gedurende 2 uur bij respectievelijk 60°C (rode curve) en 120°C (zwarte curve).
De opslag bij 120°C (zwarte curve) veranderde het DSC-profiel volledig: Het hydraatwater werd verwijderd. Volgens Ertel en Carstensens [5] verwijdert verhitting bij 105°C niet alleen het water, maar verandert ook de structuur van de kristallen. Hier leverde de opslag bij 120 °C een structuur op met piektemperaturen bij 49 °C en 53 °C.
Tijdens opslag bij 60°C verliest het monster een deel van zijn water. Daarom neemt de hoeveelheid water af die vrijkomt bij verhitting in de DSC, waardoor de enthalpie piek tussen 30°C en 130°C daalt. Bovendien worden de effecten iets verschoven naar hogere temperaturen.
De piek tussen 130°C en 155°C wordt gedetecteerd voor alle drie metingen en komt goed overeen met het theoretische smelttraject van magnesiumstearaat van farmaceutische kwaliteit (130°C tot 145°C [6]). De enthalpie is echter veel hoger voor het monster opgeslagen bij 120°C. Zoals hierboven vermeld, wordt deze hogere enthalpie na opslag bij 120°C waarschijnlijk geassocieerd met een verandering in de structuur van magnesiumstearaat [5].
Conclusie
Opslag van magnesiumstearaat bij verschillende temperaturen levert verschillend thermisch gedrag op, wat te zien is aan de verandering van de DSC-curves. Thermische behandeling veroorzaakt het vrijkomen van verschillend gebonden water, waarbij de temperatuur waarbij het water vrijkomt een indicatie geeft van het type water (bijv. oppervlaktewater). De verschillen in de DSC-curves zijn waarschijnlijk ook het gevolg van veranderingen in de kristalstructuur van het monster tijdens opslag.
Commercieel verkrijgbare magnesiumstearaten zijn mengsels van verschillende vetzuren die per fabrikant kunnen verschillen, waardoor TGA en DSC onmisbare hulpmiddelen zijn voor verificatie voorafgaand aan de bereiding van een farmaceutische samenstelling.