Wprowadzenie
Stearynian magnezu to biały proszek stosowany jako środek smarny w produkcji kosmetyków i farmaceutyków [5]. Jego właściwości fizyczne mogą się różnić w zależności od partii, ponieważ komercyjny stearynian magnezu jest mieszaniną różnych soli kwasów tłuszczowych, które mogą różnić się proporcjami [4]. Dodatkowo, jego właściwości w dużym stopniu zależą od zawartości wilgoci i stanu uwodnienia [1]. Zmienne właściwości stearynianu magnezu można badać za pomocą DSC, która jest szczególnie szybką i łatwą metodą uzyskiwania odcisku palca materiału. Inna metoda analizy termicznej, TGA, może być wykorzystana do wskazania stanu uwodnienia czystego stearynianu magnezu. Poniżej scharakteryzowano próbkę stearynianu magnezu za pomocą pomiarów DSC, TGA i PXRD (proszkowa dyfrakcja rentgenowska). Ponadto zbadano wpływ przechowywania przez dwa tygodnie w wilgotnej atmosferze na właściwości termiczne.
Warunki testu
W celu obróbki wilgocią próbkę przechowywano w otwartym pojemniku umieszczonym nad wodą w szczelnym naczyniu z wodą przez dwa tygodnie. Pomiary przeprowadzono za pomocą DSC 214 Polyma i TG 209 Libra® w dynamicznej atmosferze azotu. Zastosowano szczelne tygle Concavus® z przebitą pokrywą. Pomiary PXRD wykonano za pomocą Bruker D8 Advance w solid-chem GmbH.
Wyniki testów
Pomiary TGA stearynianu magnezu z i bez obróbki wilgocią przedstawiono na rysunkach 2a i 2b (powiększenie rysunku 2a).
Próbka traci 3,5% swojej początkowej masy między temperaturą pokojową a 130°C (krzywa ciągła). Na podstawie dwóch pików na pierwszej krzywej pochodnej (DTG) w tym zakresie temperatur można zauważyć, że procesy te przebiegają w dwóch etapach: pierwsza utrata masy wynosząca 1,8% do 100°C jest spowodowana odparowaniem wody powierzchniowej; drugi etap utraty masy wynosi 1,7% między 100°C a 130°C i odpowiada uwalnianiu wody hydratacyjnej.
W przypadku próbki badanej po przechowywaniu w wilgotnej atmosferze oba etapy są również obecne, ale pierwszy z nich wiąże się z większą utratą masy.
Zgodnie z wynikami opisanymi w [6], ubytek masy spowodowany uwalnianiem wody hydratacyjnej rozpoczyna się około 65°C dla trihydratu, 85°C dla dihydratu i 95°C dla formy monohydratu. Ponadto stearynian magnezu ma masę cząsteczkową 591,257 g/mol [2]. Daje to masę cząsteczkową 609,257 g/mol dla monohydratu, 627,257 g/mol dla dihydratu i 645,257 g/mol dla trihydratu. W związku z tym utrata wody hydratacyjnej wynosiłaby 2,95% dla czystego monohydratu, 5,74% dla czystego dihydratu i 8,37% dla trihydratu. Wskazuje to, że próbka bez obróbki wilgocią jest mieszaniną stearynianu magnezu w różnych stanach uwodnienia i dodatkowo zawiera wodę powierzchniową.
Przechowywanie próbki w wilgotnej atmosferze prowadzi do wzrostu pierwszego stopnia wynikającego z uwalniania wody. Według [1] obróbka wilgocią nie ma wpływu na stany uwodnienia stearynianu magnezu. W związku z tym, po obróbce wilgocią, wyższy ubytek masy obserwowany między temperaturą pokojową a 130°C pochodzi z adsorpcji wody powierzchniowej lub z wody zaabsorbowanej w strukturze krystalicznej.
Rozkład obu próbek rozpoczyna się około 350°C (ekstrapolowane temperatury początkowe) i przebiega w dwóch etapach z całkowitym ubytkiem masy wynoszącym 89% (próbka bez przechowywania) i 86% (próbka po przechowywaniu). Gwałtowność nachylenia krzywej TGA między 350°C a 370°C wskazuje na szybką reakcję podczas pierwszego etapu rozkładu.
Rysunek 3 przedstawia pomiar DSC stearynianu magnezu bez uzdatniania wody. Szeroki efekt EndotermicznyPrzemiana próbki lub reakcja jest endotermiczna, jeśli do konwersji potrzebne jest ciepło.endotermiczny ze szczytowymi temperaturami 77°C, 90°C i 115°C jest wykrywany między temperaturą pokojową a 130°C. Jego część odpowiada odparowaniu wody wykrytemu na krzywej TGA. Możliwe, że nakłada się na toTemperatury i entalpie topnieniaEntalpia syntezy substancji, znana również jako ciepło utajone, jest miarą nakładu energii, zazwyczaj ciepła, która jest niezbędna do przekształcenia substancji ze stanu stałego w ciekły. Temperatura topnienia substancji to temperatura, w której zmienia ona stan ze stałego (krystalicznego) na ciekły (stopiony izotropowo). topnienie próbki, które również skutkuje szczytem endotermicznym. Niektóre źródła wskazują na zakres topnienia między 130°C a 145°C [3], a inne na pik topnienia w 88°C [2]. Rozproszenie danych wynika z faktu, że dostępny w handlu stearynian magnezu bardzo często składa się z mieszaniny różnych soli kwasów tłuszczowych niż opisano powyżej. Wraz ze zmianą poszczególnych składników, właściwości substancji mogą się różnić w zależności od partii [4].
Drugie ogrzewanie (czerwona krzywa) pokazuje, że po pierwszym ogrzewaniu pozostaje tylko pik w temperaturze 31°C i efekt EndotermicznyPrzemiana próbki lub reakcja jest endotermiczna, jeśli do konwersji potrzebne jest ciepło.endotermiczny w zakresie temperatur od 120°C do 150°C. Wskazuje to na odwracalny proces, taki jakTemperatury i entalpie topnieniaEntalpia syntezy substancji, znana również jako ciepło utajone, jest miarą nakładu energii, zazwyczaj ciepła, która jest niezbędna do przekształcenia substancji ze stanu stałego w ciekły. Temperatura topnienia substancji to temperatura, w której zmienia ona stan ze stałego (krystalicznego) na ciekły (stopiony izotropowo). topnienie składników. Ze względu na zastosowanie przebitej pokrywy, woda (zarówno zaadsorbowana, jak i związana chemicznie) nie jest już obecna wewnątrz próbki w tej temperaturze. Dlatego możliwe jest, że piki przy 145°C (pierwsze ogrzewanie) lub 141°C (drugie ogrzewanie) są związane z zakresem topnienia stearynianu magnezu bez wody.
Rysunek 4 przedstawia krzywe DSC (pierwsze i drugie ogrzewanie) stearynianu magnezu po przechowywaniu w wilgotnej atmosferze. W porównaniu z rysunkiem 3, wpływ obróbki wilgocią można łatwo zaobserwować. Ma ona silny wpływ na efekty endotermiczne wykryte w pierwszym ogrzewaniu między temperaturą pokojową a 130°C, związane z różnicami we właściwościach fizycznych, jak podano w literaturze [1].
Jednak drugie ogrzewanie jest bardzo podobne do tego z oryginalnej próbki. Po podgrzaniu do 250°C i kontrolowanym schłodzeniu w suchej atmosferze, obie próbki osiągają ten sam stan. Wykryte piki są spowodowane topnieniem składników.
Aby móc lepiej scharakteryzować poszczególne składniki, przeprowadzono pomiary dyfrakcji rentgenowskiej (PXRD) na obu próbkach - oryginalnej i poddanej działaniu wody (rysunek 5).
Wzory PXRD różnią się wyraźnie dla pików przy ok. 20° i 23,5° 2θ. Są one obecne w obu próbkach, ale ich intensywność wzrasta wraz z obróbką wilgocią. Oznacza to, że hydrat, który był już obecny w oryginalnej próbce, jest coraz bardziej formowany podczas przechowywania w wilgotnej atmosferze. Porównanie wzoru rentgenowskiego z danymi literaturowymi [6] potwierdza trihydrat, koncentrując się na pikach przy 20° i 23,5° 2θ.
Formy hydratów są stabilne w obecności wilgoci [1], więc trójwodzian powstaje z bezwodnika obecnego w oryginalnej próbce. Wynik ten potwierdza ocenę LV Allen i PE Luner [7], że bezwodna forma stearynianu magnezu ulega rehydratacji, tworząc trihydrat przy wilgotności względnej wyższej niż 50%.
Wnioski
Pomiary DSC i TGA przeprowadzono na stearynianie magnezu z i bez przechowywania w wilgotnej atmosferze. Obróbka wodna pozwoliła na zwiększenie zarówno wody powierzchniowej, jak i krystalicznej.
Wiedza ta jest tym ważniejsza, że istnieje korelacja między obróbką wilgocią a właściwościami fizycznymi stearynianu magnezu [1]; dlatego kluczowe jest przeprowadzenie kontroli produktu przed jego przetworzeniem. W tym celu DSC i TGA są użytecznymi narzędziami pozwalającymi na szybką charakterystykę i/lub porównanie różnych lots.
Potwierdzenie
NETZSCH chcieliby podziękować solid-chem GmbH w Bochum, Niemcy za przeprowadzenie pomiarów i oceny PXRD.