Введение
Лимонная кислота — широко используемая трикарбоновая кислота, применяемая в пищевой, фармацевтической и косметической промышленности, а также в химической отрасли, например, в качестве хелатообразующих агентов и при синтезе биополимеров. Поскольку в процессе переработки и хранения она часто подвергается воздействию повышенных температур, точное понимание её термической стабильности, поведения при дегидратации и пути разложения имеет решающее значение для предотвращения нежелательной потери активных веществ или выделения газообразных продуктов разложения. Одновременный термический анализ в сочетании с анализом выделяющихся газов представляет собой мощный инструмент для определения не только потери массы и связанных с ней тепловых эффектов, но и химического состава выделяющихся летучих веществ, что позволяет надежно и однозначно интерпретировать происходящие термические процессы.
Условия измерения
Таблица 1: Условия измерения
| Прибор | STA Jupiter® FT-IR INVENIO |
|---|---|
| Образец | Лимонная кислота |
| Масса образца | 14 мг |
| Диапазон температур | 30–400 °C |
| Скорость нагрева | 20 К/мин |
| Атмосфера | N₂, 70 мл/мин |
| Тигель | Pt, 85 мкл с перфорированной крышкой |
Результаты и обсуждение
Кривая TGA-DSC на рисунке 1 демонстрирует многоступенчатое термическое поведение лимонной кислоты.
До температуры примерно 100 °C наблюдается потеря массы small в размере 4,2 %, сопровождающаяся широким эндотермическим сигналом ДСК с пиковой температурой 59 °C и пиком ДТГ при 66 °C. Этот этап объясняется выделением кристаллической воды.
При 150 °C кривая ДСК демонстрирует резкий эндотермический пик, обусловленный плавлением лимонной кислоты. Выше этой температуры материал переходит в область термического разложения. Основной этап разложения происходит в диапазоне температур примерно от 190 °C до 240 °C и приводит к значительной потере массы, составляющей 90,8 %. Кривая ДТГ показывает максимальную скорость разложения при 221 °C, в то время как кривая ДСК демонстрирует сильный эндотермический пик при 223 °C. Такое близкое совпадение данных ДТГ и ДСК подтверждает, что процесс наибольшей потери массы напрямую связан с эндотермической реакцией разложения.
Данные ТГА-ДСК дают четкую информацию о температурном диапазоне, потере массы и термических характеристиках происходящих процессов. Однако одни только эти данные не позволяют определить химическую природу выделяющихся газов ( Identify ). По этой причине необходимо сочетать термический анализ с ФТ-ИК-спектроскопией фазы выделяющихся газов. FT-IR-спектр, зарегистрированный при 60 °C, что соответствует первой стадии потери массы, демонстрирует характерную ротационно-колебательную тонкую структуру газообразной воды в областях около 3500–4000 см⁻¹ и 1300–2000 см⁻¹, что подтверждает: начальная низкотемпературная потеря массы обусловлена физически или слабосвязанной водой, а не какой-либо реакцией разложения (см. рис. 2). Напротив, спектр ФТ-ИК, зарегистрированный при 220 °C, что соответствует основному этапу потери массы, выявляет две доминирующие полосы поглощения: дублет в области 2300–2360 см⁻¹, характерный для диоксида углерода, и сильную, резкую полосу вблизи 1750–1800 см⁻¹, относящуюся к колебаниям растяжения карбонильной группы. Эти сигналы свидетельствуют о том, что основной этап разложения обусловлен декарбоксилированием молекулы лимонной кислоты с одновременным образованием карбонилсодержащих фрагментов.
Резюме
Термический анализ лимонной кислоты с помощью одновременного применения методов ТГА-ДСК в сочетании с газофазным анализом методом ФТ-ИК выявил трехступенчатый термический профиль, состоящий из начальной потери остаточной влаги, плавления и основного разложения, обусловленного декарбоксилированием, при температуре выше примерно 200 °C. Совмещение данных термического анализа с данными о выделяющихся газах, полученными методом ФТ-ИК, оказалось необходимым для правильной отнесения каждого термического явления к конкретному физическому или химическому процессу, что обеспечивает прочную основу для определения безопасных пределов температур переработки и хранения лимонной кислоты в промышленных условиях.