Inledning
Magnesiumstearat används ofta som smörjmedel vid framställning av kosmetika och läkemedel. Det finns kommersiellt tillgängligt som en blandning av flera fettsyrasalter som kan variera i proportion. Dessutom finns magnesiumstearat som monohydrat, dihydrat och trihydrat. De fysikaliska egenskaperna och i synnerhet smörjegenskaperna hos detta material påverkas av dess fukthalt och hydratiseringstillstånd. Av dessa skäl kan egenskaperna hos magnesiumstearat variera avsevärt från en tillverkare till en annan [2, 3].
De varierande egenskaperna hos magnesiumstearat kan undersökas med hjälp av DSC, som är en särskilt enkel och snabb metod för att få ett fingeravtryck av ämnet. En annan metod för termisk analys, TGA, kan hjälpa till att ge en indikation om magnesiumstearatets hydratiseringstillstånd.
I det följande karakteriseras ett magnesiumstearatprov med hjälp av DSC- och TGA-mätningar. Dessutom undersöktes hur de termiska egenskaperna påverkades av en 2-timmars lagringsperiod vid 60°C och 120°C i en torr kväveatmosfär.
Testförhållanden
Mätningarna utfördes med en DSC 214 Polyma och en TG 209 Libra® i en dynamisk kväveatmosfär. Förseglade Concavus® deglar med genomborrat lock användes.
Testresultat
Figur 2 visar TGA-kurvan för magnesiumstearat. Mellan rumstemperatur och 125°C förlorar provet 3,5% av sin ursprungliga massa, vilket beror på att vatten frigörs. I detta temperaturområde upptäcks två toppar i DTG-kurvan (1:a derivatan av TGA-kurvan) som indikerar två steg: först avdunstar ytvattnet (1: a massförluststeget 1,1 %), sedan frigörs hydratvattnet (2:a massförluststeget 2,4 %). En molmassa på 591,27 g/mol för magnesiumstearat resulterar i en teoretisk vattenförlust på 2,95 % för monohydratformen, 5,74 % för dihydratformen och 8,37 % för trihydratformen. Därför är den detekterade massförlusten en indikation på monohydratformen av magnesiumstearat: Under uppvärmningen förlorar provet först sitt ytvatten (1:a massförluststeget 1.1.%) innan kristallvattnet frigörs.
Detta resultat kan bekräftas av de TGA-kurvor som beskrivs av D. Lugge i [4]: För ett rent magnesiumstearatdihydrat och ett rent trihydrat skulle massförlusten ske vid en lägre temperatur.
Det uppmätta provet innehåller därför åtminstone monohydratformen av magnesiumstearat. Skillnaden mellan den teoretiska vattenförlusten på 2,95 % och den uppmätta på 3,5 % mellan rumstemperatur och 125 °C kan bero på avdunstning av ytvatten och/eller på förekomsten av dihydrat/trihydrat i provet.
Figur 3 visar DSC-kurvan för magnesiumstearat under upphettning till 200°C. De toppar som detekteras vid 78,3°C, 91,8°C, 95,8°C och 116,0°C beror delvis på att ytvatten och bundet vatten frigörs, vilket indikeras av TGA. Avdunstningsprocessen överlappas troligen 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 provkomponenterna.
Den endotermiska effekten vid 145,2°C är inte förknippad med någon massförlust och beror troligen 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 en beståndsdel i provet.
Figur 4 visar DSC-kurvorna för magnesiumstearat vid leverans samt DSC-kurvorna för materialet efter lagring i 2 timmar vid 60°C (röd kurva) respektive 120°C (svart kurva).
Lagringen vid 120°C (svart kurva) förändrade DSC-profilen helt och hållet: Hydratvattnet avlägsnades. Enligt Ertel och Carstensens [5] avlägsnar uppvärmning vid 105°C inte bara vatten utan förändrar också kristallernas struktur. Här gav förvaringen vid 120°C en struktur med topptemperaturer vid 49°C och 53°C.
Under förvaringen vid 60°C förlorar provet en del av sitt vatten. Därför minskar mängden vatten som frigörs under uppvärmningen i DSC, vilket sänker toppentalpin mellan 30°C och 130°C. Dessutom är effekterna något förskjutna till högre temperaturer.
Toppen mellan 130°C och 155°C detekteras för alla tre mätningarna och stämmer ganska väl överens med det teoretiska smältintervallet för magnesiumstearat av farmaceutisk kvalitet (130°C till 145°C [6]). Dess entalpi är dock mycket högre för provet som förvarats vid 120°C. Som nämnts ovan är denna högre toppentalpi efter lagring vid 120°C troligen förknippad med en förändring i magnesiumstearatets struktur [5].
Slutsats
Förvaring av magnesiumstearat vid olika temperaturer ger olika termiskt beteende, vilket kan ses i förändringen av DSC-kurvorna. Termisk behandling orsakar frisättning av vatten som är bundet på olika sätt, och vattenfrisättningstemperaturen ger en indikation på typen av vatten (t.ex. ytvatten). Skillnaderna i DSC-kurvorna beror förmodligen också på förändringar i provets kristallstruktur under lagring.
Kommersiellt tillgängliga magnesiumstearater är blandningar av olika fettsyror som kan variera från en tillverkare till en annan, vilket gör TGA och DSC till oumbärliga verktyg för verifiering innan en farmaceutisk sammansättning bereds.