Inleiding
Magnesiumstearaat is een wit poeder dat wordt gebruikt als smeermiddel bij de productie van cosmetica en geneesmiddelen [5]. De fysische eigenschappen kunnen per batch verschillen omdat commercieel magnesiumstearaat een mix is van verschillende vetzuurzouten die in verhouding kunnen variëren [4]. Bovendien zijn de eigenschappen sterk afhankelijk van het vochtgehalte en de hydratatietoestand [1]. De variërende eigenschappen van magnesiumstearaat kunnen worden onderzocht met DSC, wat een bijzonder snelle en gemakkelijke methode is om de vingerafdruk van een materiaal te verkrijgen. Een andere thermische analysemethode, TGA, kan worden gebruikt om de hydratatietoestand van puur magnesiumstearaat aan te geven. In het volgende werd een magnesiumstearaatmonster gekarakteriseerd door middel van DSC, TGA en PXRD (poeder röntgendiffractie) metingen. Daarnaast werd de invloed op de thermische eigenschappen van opslag gedurende twee weken in een vochtige atmosfeer bestudeerd.
Testomstandigheden
Voor de vochtbehandeling werd het monster gedurende twee weken opgeslagen in een open container boven het water van een afgesloten watervat. 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. De PXRD-metingen werden uitgevoerd met de Bruker D8 Advance bij solid-chem GmbH.
Testresultaten
De TGA-metingen van magnesiumstearaat met en zonder vochtbehandeling worden weergegeven in figuur 2a en 2b (zoom van figuur 2a).
Het monster verliest 3,5% van zijn oorspronkelijke massa tussen kamertemperatuur en 130°C (continue curve). Het is te zien aan de twee pieken in de eerste afgeleide curve (DTG) in dit temperatuurbereik dat deze processen in twee stappen verlopen: het eerste massaverlies van 1,8% tot 100°C is te wijten aan 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; de tweede massaverliesstap bedraagt 1,7% tussen 100°C en 130°C en komt overeen met het vrijkomen van hydraatwater.
Voor het geteste monster na opslag in een vochtige atmosfeer zijn beide stappen ook aanwezig, maar de eerste gaat gepaard met een groter massaverlies.
Volgens de resultaten beschreven in [6] begint het massaverlies door het vrijkomen van het hydraatwater rond 65°C voor het trihydraat, 85°C voor het dihydraat en 95°C voor de monohydraatvorm. Bovendien heeft magnesiumstearaat een moleculaire massa van 591,257 g/mol [2]. Dit resulteert in een moleculaire massa van 609,257 g/mol voor het monohydraat, 627,257 g/mol voor het dihydraat en 645,257 g/mol voor het trihydraat. Bijgevolg zou het verlies aan hydratatiewater 2,95% bedragen voor het zuivere monohydraat, 5,74% voor het zuivere dihydraat en 8,37% voor het trihydraat. Dit geeft aan dat het monster zonder vochtbehandeling een mengsel is van magnesiumstearaat in verschillende hydratatietoestanden en daarnaast oppervlaktewater bevat.
Opslag van het monster in een vochtige atmosfeer leidt tot een toename van de eerste stap als gevolg van het vrijkomen van water. Volgens [1] heeft de vochtbehandeling geen invloed op de hydratatietoestanden van magnesiumstearaat. Bijgevolg is na vochtbehandeling het hogere massaverlies dat wordt waargenomen tussen kamertemperatuur en 130°C afkomstig van adsorptie van oppervlaktewater of van water dat is geabsorbeerd in de kristalstructuur.
De ontleding van beide monsters begint rond 350°C (geëxtrapoleerde begintemperaturen) en verloopt in twee stappen met een totaal massaverlies van 89% (monster zonder opslag) en 86% (monster na opslag). De abruptheid in de helling van de TGA-curve tussen 350°C en 370°C wijst op een snelle reactie tijdens de eerste ontledingsstap.
Figuur 3 toont de DSC-meting van magnesiumstearaat zonder waterbehandeling. Een breed EndothermEen monsterovergang of reactie is endotherm als er warmte nodig is voor de omzetting.endotherm effect met piektemperaturen bij 77°C, 90°C en 115°C wordt gedetecteerd tussen kamertemperatuur en 130°C. Een deel hiervan komt overeen met 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 water die is gedetecteerd in de TGA-curve. Het kan mogelijk overlapt worden 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 het monster, wat ook resulteert in een endotherme piek. Sommige referenties geven een smelttraject aan tussen 130°C en 145°C [3] en anderen een smeltpiek bij 88°C [2]. Versnippering van de gegevens is het gevolg van het feit dat commercieel verkrijgbaar magnesiumstearaat heel vaak bestaat uit een mengsel van verschillende vetzuurzouten dan hierboven beschreven. Door de variatie van de individuele componenten kunnen de eigenschappen van de stof variëren van partij tot partij [4].
De tweede verhitting (rode curve) laat zien dat na de eerste verhitting alleen de piek bij 31 °C en het endotherme effect in het temperatuurbereik tussen 120 °C en 150 °C overblijven. Dit wijst op een omkeerbaar proces, zoals 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 bestanddelen. Door het aanbrengen van een doorboord deksel is het water (zowel geadsorbeerd als chemisch gebonden) bij deze temperatuur niet meer aanwezig in het monster. Daarom is het mogelijk dat de pieken bij 145°C (1e verhitting) of 141°C (2e verhitting) gerelateerd zijn aan het smelttraject van het watervrije magnesiumstearaat.
Figuur 4 toont de DSC-curves (1e en 2e verhitting) van magnesiumstearaat na opslag in een vochtige atmosfeer. Vergeleken met figuur 3 is de invloed van de vochtbehandeling goed te zien. Het heeft een sterke invloed op de endotherme effecten die zijn waargenomen bij de 1e verhitting tussen kamertemperatuur en 130°C, geassocieerd met verschillen in de fysische eigenschappen zoals vermeld in de literatuur [1].
De tweede verhitting lijkt echter sterk op die van het originele monster. Na verhitting tot 250 °C en gecontroleerde afkoeling in een droge atmosfeer bereiken beide monsters dezelfde toestand. De gedetecteerde pieken zijn het gevolg van 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 bestanddelen.
Om de individuele bestanddelen beter te kunnen karakteriseren, werden röntgendiffractiemetingen (PXRD) uitgevoerd op beide monsters - origineel en met water behandeld (figuur 5).
De PXRD-patronen verschillen duidelijk voor de pieken bij ongeveer 20° en 23,5° 2θ. Ze zijn in beide monsters aanwezig, maar hun intensiteit neemt toe bij vochtbehandeling. Dit betekent dat een hydraat, dat al aanwezig was in het oorspronkelijke monster, in toenemende mate wordt gevormd tijdens opslag in een vochtige atmosfeer. De vergelijking van het röntgenpatroon met literatuurgegevens [6] bevestigt het trihydraat en concentreert zich op de pieken bij 20° en 23,5° 2θ.
De hydraatvormen zijn stabiel in aanwezigheid van vocht [1], dus het trihydraat is gevormd uit een anhydraat dat aanwezig was in het oorspronkelijke monster. Dit resultaat bevestigt de beoordeling van LV Allen en PE Luner [7] dat de watervrije vorm van magnesiumstearaat rehydrateert tot een trihydraat bij een relatieve vochtigheid hoger dan 50%.
Conclusie
DSC- en TGA-metingen werden uitgevoerd op magnesiumstearaat met en zonder opslag in een vochtige atmosfeer. Door de waterbehandeling nam zowel het oppervlaktewater als het kristalwater toe.
Deze kennis is des te belangrijker omdat er een correlatie is tussen de vochtbehandeling en de fysieke eigenschappen van magnesiumstearaat [1]; daarom is het cruciaal om controles uit te voeren op het product voordat het verwerkt wordt. Hiervoor zijn DSC en TGA nuttige hulpmiddelen die een snelle karakterisering en/of vergelijking van de verschillende partijen mogelijk maken.
Erkenning
NETZSCH wil solid-chem GmbH in Bochum, Duitsland bedanken voor het uitvoeren van de PXRD-metingen en evaluatie.