Nanoteknik och nanomaterial: Nanometer titandioxid i solskyddskosmetika
Citatord
Cirka 5 % av solens strålar har ultravioletta strålar med en våglängd ≤400 nm. Ultravioletta strålar i solljus kan delas in i: långvågiga ultravioletta strålar med en våglängd på 320 nm~400 nm, kallade ultravioletta strålar av A-typ (UVA); mellanvågiga ultravioletta strålar med en våglängd på 290 nm till 320 nm kallas ultravioletta strålar av B-typ (UVB) och kortvågiga ultravioletta strålar med en våglängd på 200 nm till 290 nm kallas ultravioletta strålar av C-typ.
På grund av sin korta våglängd och höga energi har ultravioletta strålar stor destruktiv kraft, vilket kan skada människors hud, orsaka inflammation eller solbränna och allvarligt orsaka hudcancer. UVB är den främsta faktorn som orsakar hudinflammation och solbränna.
1. Principen för att skydda ultravioletta strålar med nano-TiO2
TiO₂ är en halvledare av N-typ. Kristallformen av nano-TiO₂ som används i solskyddsmedel är generellt rutil, och dess förbjudna bandbredd är 3,0 eV. När UV-strålar med en våglängd mindre än 400 nm bestrålar TiO₂ kan elektroner i valensbandet absorbera UV-strålar och exciteras till ledningsbandet, och elektronhålpar genereras samtidigt, så TiO₂ har funktionen att absorbera UV-strålar. Med liten partikelstorlek och många andelar ökar detta avsevärt sannolikheten för att blockera eller fånga upp ultravioletta strålar.
2. Egenskaper hos nano-TiO2 i solskyddsmedel
2.1
Hög UV-skyddseffektivitet
Den ultravioletta skyddsförmågan hos solskyddskosmetika uttrycks av solskyddsfaktorn (SPF-värdet), och ju högre SPF-värdet är, desto bättre solskyddseffekt. Förhållandet mellan den energi som krävs för att producera lägsta detekterbara erytem för hud täckt med solskyddsprodukter och den energi som krävs för att producera erytem av samma grad för hud utan solskyddsprodukter.
Eftersom nano-TiO2 absorberar och sprider ultravioletta strålar anses det vara det mest ideala fysiska solskyddsmedlet både hemma och utomlands. Generellt sett är nano-TiO2:s förmåga att skydda mot UVB 3–4 gånger högre än nano-ZnO.
2.2
Lämplig partikelstorlek
Nano-TiO2:s ultravioletta avskärmningsförmåga bestäms av dess absorptionsförmåga och spridningsförmåga. Ju mindre nano-TiO2:s ursprungliga partikelstorlek är, desto starkare är den ultravioletta absorptionsförmågan. Enligt Rayleighs lag för ljusspridning finns det en optimal ursprunglig partikelstorlek för nano-TiO2:s maximala spridningsförmåga av ultravioletta strålar med olika våglängder. Experiment visar också att ju längre våglängden för ultravioletta strålar är, desto mer beror nano-TiO2:s avskärmningsförmåga på dess spridningsförmåga. Ju kortare våglängden är, desto mer beror dess avskärmning på dess absorptionsförmåga.
2.3
Utmärkt dispergerbarhet och transparens
Den ursprungliga partikelstorleken för nano-TiO2 är under 100 nm, vilket är betydligt mindre än våglängden för synligt ljus. Teoretiskt sett kan nano-TiO2 släppa igenom synligt ljus när det är helt dispergerat, så det är transparent. På grund av nano-TiO2:s transparens täcker det inte huden när det tillsätts i solskyddsmedel. Därför kan det visa upp naturlig hudskönhet. Transparens är ett av de viktiga indexen för nano-TiO2 i solskyddsmedel. Faktum är att nano-TiO2 är transparent men inte helt transparent i solskyddsmedel, eftersom nano-TiO2 har små partiklar, stor specifik yta och extremt hög ytenergi, och det är lätt att bilda aggregat, vilket påverkar produkternas dispergerbarhet och transparens.
2.4
Bra väderbeständighet
Nano-TiO2 för solskyddsmedel kräver viss väderbeständighet (särskilt ljusbeständighet). Eftersom nano-TiO2 har små partiklar och hög aktivitet, kommer det att generera elektronhålpar efter att ha absorberat ultravioletta strålar, och vissa elektronhålpar kommer att migrera till ytan, vilket resulterar i atomärt syre och hydroxylradikaler i vattnet som adsorberas på ytan av nano-TiO2, vilket har stark oxidationsförmåga. Det kommer att orsaka missfärgning av produkter och lukt på grund av nedbrytning av kryddor. Därför måste ett eller flera transparenta isoleringsskikt, såsom kiseldioxid, aluminiumoxid och zirkoniumoxid, beläggas på ytan av nano-TiO2 för att hämma dess fotokemiska aktivitet.
3. Typer och utvecklingstrender för nano-TiO2
3.1
Nano-TiO2-pulver
Nano-TiO2-produkterna säljs i form av fast pulver, som kan delas in i hydrofilt pulver och lipofilt pulver beroende på nano-TiO2:s ytegenskaper. Hydrofilt pulver används i vattenbaserad kosmetika, medan lipofilt pulver används i oljebaserad kosmetika. Hydrofila pulver erhålls vanligtvis genom oorganisk ytbehandling. De flesta av dessa utländska nano-TiO2-pulver har genomgått en speciell ytbehandling beroende på deras användningsområden.
3.2
Hudfärg nano TiO2
Eftersom nano-TiO2-partiklar är fina och lätt sprider blått ljus med kortare våglängd i synligt ljus, kommer huden att få en blå ton och se ohälsosam ut när de tillsätts i solskyddsmedel. För att matcha hudfärgen tillsätts ofta röda pigment som järnoxid till kosmetiska formler i ett tidigt skede. Men på grund av skillnaden i densitet och vätbarhet mellan nano-TiO2_2 och järnoxid förekommer ofta flytande färger.
4. Produktionsstatus för nano-TiO2 i Kina
Småskalig forskning om nano-TiO2 _ 2 i Kina är mycket aktiv, och den teoretiska forskningsnivån har nått världsavancerad nivå, men den tillämpade forskningen och den tekniska forskningen är relativt efterblivna, och många forskningsresultat kan inte omvandlas till industriprodukter. Den industriella produktionen av nano-TiO2 i Kina började 1997, mer än 10 år senare än i Japan.
Det finns två skäl som begränsar kvaliteten och marknadskonkurrenskraften för nano-TiO2-produkter i Kina:
① Tillämpad teknologisk forskning halkar efter
Forskningen inom tillämpningsteknik behöver lösa problemen med att utvärdera processer och effekter av nano-TiO2 i kompositsystem. Forskningen inom tillämpningar av nano-TiO2 har inte utvecklats fullt ut inom många områden, och forskningen inom vissa områden, såsom solskyddsmedel och kosmetika, behöver fortfarande fördjupas. På grund av eftersläpningen inom tillämpad teknikforskning kan Kinas nano-TiO2_2-produkter inte bilda seriemärken för att möta de speciella kraven inom olika områden.
② Ytbehandlingstekniken för nano-TiO2 behöver studeras ytterligare
Ytbehandling omfattar oorganisk ytbehandling och organisk ytbehandling. Ytbehandlingstekniken består av ytbehandlingsmedelsformel, ytbehandlingsteknik och ytbehandlingsutrustning.
5. Avslutande kommentarer
Transparensen, ultraviolett avskärmningsprestanda, dispergerbarhet och ljusbeständighet hos nano-TiO2 i solskyddsmedel är viktiga tekniska index för att bedöma dess kvalitet, och syntesprocessen och ytbehandlingsmetoden för nano-TiO2 är nyckeln till att bestämma dessa tekniska index.
Publiceringstid: 4 juli 2022