Inledning
Citronsyra är en mycket vanlig trikarboxylsyra som förekommer inom livsmedels-, läkemedels- och kosmetikaindustrin, liksom i kemiska tillämpningar såsom kelateringsmedel och syntes av biobaserade polymerer. Eftersom den ofta utsätts för höga temperaturer under bearbetning och lagring är det avgörande att ha en noggrann förståelse för dess termiska stabilitet, dehydreringsbeteende och nedbrytningsförlopp för att undvika oönskad förlust av aktiva substanser eller utsläpp av gasformiga nedbrytningsprodukter. Samtidig termisk analys i kombination med analys av avgiven gas utgör ett kraftfullt verktyg för att karakterisera inte bara massförlusten och tillhörande värmeeffekter, utan även den kemiska sammansättningen hos de flyktiga ämnen som frigörs, vilket möjliggör en tillförlitlig och entydig tolkning av de underliggande termiska processerna.
Mätförhållanden
Tabell 1: Mätförhållanden
| Instrument | STA Jupiter® FT-IR INVENIO |
|---|---|
| Prov | Citronsyra |
| Provets massa | 14 mg |
| Temperaturintervall | 30–400 °C |
| Uppvärmningshastighet | 20 K/min |
| Atmosfär | N₂, 70 ml/min |
| Smältdegel | Pt, 85 μl med perforerat lock |
Resultat och diskussion
TGA-DSC-kurvan i figur 1 visar citronsyrans termiska beteende i flera steg.
En small viktförlust på 4,2 % inträffar upp till cirka 100 °C, åtföljd av en bred endotermisk DSC-signal med en topptemperatur på 59 °C och en DTG-topp vid 66 °C. Detta steg tillskrivs frisättningen av kristallvatten.
Vid 150 °C visar DSC-kurvan en skarp EndotermEn provövergång eller en reaktion är endoterm om det behövs värme för omvandlingen.endoterm topp, vilket beror på att citronsyran smälter. Över denna temperatur övergår materialet till det termiska nedbrytningsområdet. Det huvudsakliga nedbrytningssteget inträffar mellan cirka 190 °C och 240 °C och resulterar i en betydande massförlust på 90,8 %. DTG-kurvan visar den maximala nedbrytningshastigheten vid 221 °C, medan DSC-kurvan uppvisar en stark EndotermEn provövergång eller en reaktion är endoterm om det behövs värme för omvandlingen.endoterm topp vid 223 °C. Denna nära överensstämmelse mellan DTG och DSC bekräftar att den största massförlustprocessen är direkt kopplad till en EndotermEn provövergång eller en reaktion är endoterm om det behövs värme för omvandlingen.endoterm NedbrytningsreaktionEn sönderdelningsreaktion är en termiskt inducerad reaktion av en kemisk förening som bildar fasta och/eller gasformiga produkter. nedbrytningsreaktion.
TGA-DSC-data ger tydlig information om temperaturintervallet, massförlusten och händelsernas termiska egenskaper. Dessa data kan dock inte på egen hand ge en ” Identify ” av de frigjorda gasernas kemiska beskaffenhet. Av denna anledning är det nödvändigt att kombinera termisk analys med FT-IR-spektroskopi av den avgivna gasfasen. FT-IR-spektrumet som registrerades vid 60 °C, vilket motsvarar det första steget i massförlusten, visar den karakteristiska rotations-vibrationsfinstrukturen hos gasformigt vatten i områdena kring 3500–4000 cm⁻¹ och 1300–2000 cm⁻¹, vilket bekräftar att den inledande massförlusten vid låg temperatur beror på fysiskt eller löst bundet vatten snarare än på någon NedbrytningsreaktionEn sönderdelningsreaktion är en termiskt inducerad reaktion av en kemisk förening som bildar fasta och/eller gasformiga produkter. nedbrytningsreaktion, se figur 2. Däremot visar FT-IR-spektrumet som registrerats vid 220 °C, vilket motsvarar det huvudsakliga massförluststeget, två dominerande absorptionssignaturer: ett dubbelband nära 2300–2360 cm⁻¹, karakteristiskt för koldioxid, samt ett starkt, skarpt band nära 1750–1800 cm⁻¹, som tillskrivs karbonylsträckningsvibrationer. Dessa signaler visar att det huvudsakliga nedbrytningssteget drivs av dekarboxylering av citronsyramolekylen, med samtidig bildning av karbonylinnehållande fragment.
Sammanfattning
Den termiska karakteriseringen av citronsyra genom samtidig TGA-DSC i kombination med FT-IR-gasfasanalys visar en termisk profil i tre steg som består av en inledande förlust av restfukt, Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smältning och en omfattande dekarboxyleringsdriven nedbrytning vid temperaturer över cirka 200 °C. Kopplingen mellan termisk analys och data om avgiven gas med FT-IR visade sig vara avgörande för att korrekt kunna hänföra varje termisk händelse till en specifik fysikalisk eller kemisk process, vilket ger en solid grund för att fastställa säkra gränsvärden för bearbetnings- och lagringstemperaturer för citronsyra i industriella tillämpningar.