Inledning
Magnesiumstearat är ett vitt pulver som används som smörjmedel vid framställning av kosmetika och läkemedel [5]. Dess fysikaliska egenskaper kan variera från en batch till en annan eftersom kommersiellt magnesiumstearat är en blandning av olika fettsyrasalter som kan variera i proportion [4]. Dessutom är dess egenskaper starkt beroende av dess fukthalt och hydratiseringstillstånd [1]. De varierande egenskaperna hos magnesiumstearat kan undersökas med hjälp av DSC, som är en särskilt snabb och enkel metod för att få fram ett materials fingeravtryck. En annan termisk analysmetod, TGA, kan användas för att indikera hydratiseringstillståndet hos rent magnesiumstearat. I det följande karakteriserades ett magnesiumstearatprov med hjälp av DSC-, TGA- och PXRD-mätningar (pulverröntgendiffraktion). Dessutom studerades inverkan på de termiska egenskaperna av lagring i två veckor i en fuktig atmosfär.
Testförhållanden
För fuktbehandlingen lagrades provet i en öppen behållare placerad ovanför vattnet i ett förseglat vattenkärl i två veckor. Mätningarna utfördes med en DSC 214 Polyma och en TG 209 Libra® i en dynamisk kväveatmosfär. Förseglade Concavus® deglar med genomborrat lock användes. PXRD-mätningarna utfördes med Bruker D8 Advance hos solid-chem GmbH.
Testresultat
TGA-mätningarna av magnesiumstearat med och utan fuktbehandling visas i figurerna 2a och 2b (zoom av figur 2a).
Provet förlorar 3,5% av sin ursprungliga massa mellan rumstemperatur och 130°C (kontinuerlig kurva). Det framgår av de två topparna i den första derivatkurvan (DTG) i detta temperaturområde att dessa processer sker i två steg: den första massförlusten på 1,8% upp till 100°C beror på avdunstningen av ytvatten; det andra massförluststeget uppgår till 1,7% mellan 100°C och 130°C och motsvarar frisättningen av hydratvatten.
För provet som testades efter lagring i en fuktig atmosfär förekommer också båda stegen, men det första är förknippat med en högre massförlust.
Enligt de resultat som beskrivs i [6] börjar massförlusten på grund av frisättningen av hydratvattnet vid cirka 65°C för trihydratet, 85°C för dihydratet och 95°C för monohydratformen. Magnesiumstearat har dessutom en molekylmassa på 591,257 g/mol [2]. Detta resulterar i en molekylmassa på 609,257 g/mol för monohydratet, 627,257 g/mol för dihydratet och 645,257 g/mol för trihydratet. Följaktligen skulle förlusten av hydratiseringsvatten vara 2,95% för det rena monohydratet, 5,74% för det rena dihydratet och 8,37% för trihydratet. Detta tyder på att provet utan fuktbehandling är en blandning av magnesiumstearat i olika hydratiseringstillstånd och dessutom innehåller ytvatten.
Förvaring av provet i en fuktig atmosfär leder till en ökning av det första steget till följd av vattenavgivningen. Enligt [1] har fuktbehandlingen inget inflytande på magnesiumstearatets hydratiseringstillstånd. Den högre massförlust som observerats mellan rumstemperatur och 130°C efter fuktbehandling härrör därför från adsorption av ytvatten eller från vatten som absorberats i kristallstrukturen.
Nedbrytningen av båda proverna börjar vid ca 350°C (extrapolerade starttemperaturer) och sker i två steg med en total massförlust på 89% (prov utan lagring) och 86% (prov efter lagring). Den abrupta lutningen på TGA-kurvan mellan 350°C och 370°C indikerar en snabb reaktion under det första nedbrytningssteget.
Figur 3 visar DSC-mätningen av magnesiumstearat utan vattenbehandling. En bred endotermisk effekt med topptemperaturer på 77°C, 90°C och 115°C detekteras mellan rumstemperatur och 130°C. En del av den motsvarar avdunstningen av vatten som detekteras i TGA-kurvan. Den kan eventuellt överlappas av 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 av provet, vilket också resulterar i en endotermisk topp. Vissa referenser anger ett smältintervall mellan 130°C och 145°C [3] och andra en smälttopp vid 88°C [2]. Spridningen av data beror på att kommersiellt tillgängligt magnesiumstearat mycket ofta består av en blandning av olika fettsyrasalter än de som beskrivs ovan. Med variationen av de enskilda komponenterna kan ämnets egenskaper variera från batch till batch [4].
Den andra uppvärmningen (röd kurva) visar att endast toppen vid 31°C och den endotermiska effekten i temperaturområdet mellan 120°C och 150°C kvarstår efter den första uppvärmningen. Detta indikerar en reversibel process, som t.ex. 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 av beståndsdelar. På grund av att ett genomborrat lock applicerats finns vattnet (både adsorberat och kemiskt bundet) inte längre kvar i provet vid denna temperatur. Därför är det möjligt att topparna vid 145°C (1:a uppvärmningen) eller 141°C (2:a uppvärmningen) är relaterade till smältområdet för det vattenfria magnesiumstearatet.
Figur 4 visar DSC-kurvorna (1:a och 2:a uppvärmningen) för magnesiumstearat efter lagring i fuktig atmosfär. Jämfört med figur 3 kan effekten av fuktbehandlingen lätt observeras. Den har ett starkt inflytande på de endotermiska effekter som detekteras i den första uppvärmningen mellan rumstemperatur och 130°C, vilket är förknippat med skillnader i de fysiska egenskaperna enligt litteraturen [1].
Den andra uppvärmningen är dock mycket lik den för det ursprungliga provet. Efter upphettning till 250°C och kontrollerad kylning i torr atmosfär når båda proverna samma tillstånd. De toppar som detekteras beror på 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 av beståndsdelar.
För att bättre kunna karakterisera de enskilda komponenterna utfördes röntgendiffraktionsmätningar (PXRD) på båda proverna - original och vattenbehandlat (figur 5).
PXRD-mönstren skiljer sig tydligt åt för topparna vid ca 20° och 23,5° 2θ. De finns i båda proverna men deras intensitet ökar med fuktbehandling. Detta innebär att ett hydrat, som redan fanns i det ursprungliga provet, bildas i allt högre grad under lagring i en fuktig atmosfär. Jämförelsen av röntgenmönstret med litteraturdata [6] bekräftar trihydratet medan man koncentrerar sig på topparna vid 20° och 23,5° 2θ.
Hydratformerna är stabila i närvaro av fukt [1], så att trihydratet bildas från ett anhydrat som finns i det ursprungliga provet. Detta resultat bekräftar bedömningen från LV Allen och PE Luner [7] att den vattenfria formen av magnesiumstearat rehydrerar för att bilda ett trihydrat vid relativ fuktighet högre än 50%.
Slutsats
DSC- och TGA-mätningar utfördes på magnesiumstearat med och utan lagring i en fuktig atmosfär. Vattenbehandlingen gjorde att både ytvattnet och kristallvattnet ökade.
Denna kunskap är desto viktigare eftersom det finns ett samband mellan fuktbehandlingen och de fysiska egenskaperna hos magnesiumstearat [1]; därför är det viktigt att utföra kontroller av produkten före bearbetning. För detta ändamål är DSC och TGA användbara verktyg som möjliggör snabb karakterisering och/eller jämförelse av de olika partierna.
Acknowledgment
NETZSCH vill tacka solid-chem GmbH i Bochum, Tyskland, för utförandet av PXRD-mätningarna och utvärderingen.