Nanoteknologia ja nanomateriaalit: Nanometrin titaanidioksidi aurinkovoiteissa

Nanoteknologia ja nanomateriaalit: Nanometrin titaanidioksidi aurinkovoiteissa

Lainaussanat

Noin 5 % auringon säteilemistä säteistä on ultraviolettisäteitä, joiden aallonpituus on ≤400 nm. Auringonvalon ultraviolettisäteet voidaan jakaa seuraavasti: pitkäaaltoiset ultraviolettisäteet, joiden aallonpituus on 320 nm–400 nm, joita kutsutaan A-tyypin ultraviolettisäteiksi (UVA); keskiaaltoiset ultraviolettisäteet, joiden aallonpituus on 290–320 nm, joita kutsutaan B-tyypin ultraviolettisäteiksi (UVB); ja lyhytaaltoiset ultraviolettisäteet, joiden aallonpituus on 200–290 nm, joita kutsutaan C-tyypin ultraviolettisäteiksi.

Lyhyen aallonpituutensa ja suuren energiansa vuoksi ultraviolettisäteillä on suuri tuhovoima, joka voi vahingoittaa ihmisten ihoa, aiheuttaa tulehduksia tai auringonpolttamia ja vakavaa ihosyöpää. UVB-säteily on tärkein ihon tulehduksen ja auringonpolttamien aiheuttaja.

1. ultraviolettisäteiden suojaamisen periaate nano-TiO2:lla

TiO₂ on N-tyypin puolijohde. Aurinkosuojatuotteissa käytetyn nano-TiO₂:n kidemuoto on yleensä rutiili, ja sen kielletty kaistanleveys on 3,0 eV. Kun alle 400 nm:n aallonpituiset UV-säteet säteilevät TiO₂:ta, valenssikaistan elektronit voivat absorboida UV-säteitä ja virittäytyä johtavuuskaistalle, ja samanaikaisesti syntyy elektroni-aukko-pareja, joten TiO₂:lla on UV-säteiden absorbointitoiminto. Pienen hiukkaskoon ja suuren osuuden ansiosta ultraviolettisäteiden estämisen tai sieppaamisen todennäköisyys kasvaa huomattavasti.

2. Nano-TiO2:n ominaisuudet aurinkosuojakosmetiikassa

2.1

Korkea UV-suojaustehokkuus

Aurinkosuojatuotteiden ultraviolettisäteilyltä suojaava kyky ilmaistaan ​​aurinkosuojakertoimella (SPF-arvolla), ja mitä korkeampi SPF-arvo on, sitä parempi aurinkosuojan teho on. Energian suhde, joka tarvitaan pienimmän havaittavan eryteeman tuottamiseen aurinkosuojatuotteilla käsitellyllä iholla, energiaan, joka tarvitaan samanasteisen eryteeman tuottamiseen iholla ilman aurinkosuojatuotteita.

Koska nano-TiO2 absorboi ja sirottaa ultraviolettisäteitä, sitä pidetään ihanteellisimpana fyysisenä aurinkosuojana sekä kotimaassa että ulkomailla. Yleisesti ottaen nano-TiO2:n kyky suojata UVB-säteilyltä on 3–4 kertaa suurempi kuin nano-ZnO:n.

2.2

Sopiva hiukkaskokoalue

Nano-TiO2:n ultraviolettisäteilyn suojauskyky määräytyy sen absorptiokyvyn ja sirontakyvyn perusteella. Mitä pienempi nano-TiO2:n alkuperäinen hiukkaskoko on, sitä suurempi on sen ultraviolettisäteilyn absorptiokyky. Rayleighin valonsironnan lain mukaan nano-TiO2:lla on optimaalinen alkuperäinen hiukkaskoko, joka mahdollistaa maksimaalisen sirontakyvyn eri aallonpituisille ultraviolettisäteille. Kokeet osoittavat myös, että mitä pidempi ultraviolettisäteiden aallonpituus on, sitä enemmän nano-TiO2:n suojauskyky riippuu sen sirontakyvystä. Mitä lyhyempi aallonpituus on, sitä enemmän sen suojaus riippuu sen absorptiokyvystä.

2.3

Erinomainen dispergoituvuus ja läpinäkyvyys

Nano-TiO2:n alkuperäinen hiukkaskoko on alle 100 nm, paljon pienempi kuin näkyvän valon aallonpituus. Teoriassa nano-TiO2 voi läpäistä näkyvää valoa, kun se on täysin dispergoitunut, joten se on läpinäkyvää. Nano-TiO2:n läpinäkyvyyden ansiosta se ei peitä ihoa, kun sitä lisätään aurinkosuojatuotteisiin. Siksi se voi näyttää ihon luonnollisen kauneuden. Läpinäkyvyys on yksi nano-TiO2:n tärkeimmistä ominaisuuksista aurinkosuojatuotteissa. Itse asiassa nano-TiO2 on läpinäkyvää, mutta ei täysin läpinäkyvää aurinkosuojatuotteissa, koska nano-TiO2:lla on pieniä hiukkasia, suuri ominaispinta-ala ja erittäin korkea pintaenergia, ja se muodostaa helposti aggregaatteja, mikä vaikuttaa tuotteiden dispergoituvuuteen ja läpinäkyvyyteen.

2.4

Hyvä säänkestävyys

Aurinkosuojatuotteissa käytettävä nano-TiO2 vaatii tietyn säänkestävyyden (erityisesti valonkestävyyden). Koska nano-TiO2:n hiukkaset ovat pieniä ja aktiivisuus korkea, se muodostaa elektroni-aukkopareja absorboituaan ultraviolettisäteitä, ja jotkut elektroni-aukkoparit siirtyvät pintaan, jolloin nano-TiO2:n pinnalle adsorboituu veteen atomaarisia happea ja hydroksyyliradikaaleja. TiO2:lla on voimakas hapettumiskyky. Se aiheuttaa tuotteiden värjäytymistä ja hajua mausteiden hajoamisen vuoksi. Siksi nano-TiO2:n pinnalle on levitettävä yksi tai useampi läpinäkyvä eristyskerros, kuten piidioksidi, alumiinioksidi ja zirkoniumoksidi, sen fotokemiallisen aktiivisuuden estämiseksi.

3. Nano-TiO2:n tyypit ja kehityssuunnat

3.1

Nano-TiO2-jauhe

Nano-TiO2-tuotteita myydään kiinteänä jauheena, joka voidaan jakaa hydrofiiliseen jauheeseen ja lipofiiliseen jauheeseen nano-TiO2:n pintaominaisuuksien mukaan. Hydrofiilistä jauhetta käytetään vesipohjaisessa kosmetiikassa, kun taas lipofiilistä jauhetta käytetään öljypohjaisessa kosmetiikassa. Hydrofiiliset jauheet saadaan yleensä epäorgaanisella pintakäsittelyllä. Useimmat näistä ulkomaisista nano-TiO2-jauheista on läpikäynyt erityisen pintakäsittelyn käyttöalueensa mukaan.

3.2

Ihonvärinen nano-TiO2

Koska nano-TiO2-hiukkaset ovat hienoja ja helposti sirottavat sinistä valoa, jonka aallonpituus on lyhyempi näkyvässä valossa, iho näyttää siniseltä ja epäterveeltä lisättynä aurinkosuojatuotteisiin. Ihon värin vastaamiseksi kosmetiikkatuotteisiin lisätään usein varhaisessa vaiheessa punaisia ​​pigmenttejä, kuten rautaoksidia. Nano-TiO2:n ja rautaoksidin tiheys- ja kostuvuuserojen vuoksi kelluvia värejä kuitenkin esiintyy usein.

4. Nano-TiO2:n tuotantotilanne Kiinassa

Kiinassa pienimuotoinen nano-TiO2_2-tutkimus on erittäin aktiivista, ja teoreettinen tutkimustaso on saavuttanut maailman huipputason, mutta soveltava tutkimus ja tekninen tutkimus ovat suhteellisen takapajuisia, eikä monia tutkimustuloksia voida muuntaa teollisiksi tuotteiksi. Nano-TiO2:n teollinen tuotanto Kiinassa alkoi vuonna 1997, yli 10 vuotta myöhemmin kuin Japanissa.

Nano-TiO2-tuotteiden laatua ja kilpailukykyä markkinoilla Kiinassa rajoittaa kaksi syytä:

① Soveltavan teknologian tutkimus on jäljessä

Sovellusteknologian tutkimuksen on ratkaistava nano-TiO2:n lisäämisprosessin ja vaikutusten arvioinnin ongelmat komposiittijärjestelmissä. Nano-TiO2:n sovellustutkimusta ei ole monilla aloilla kehitetty täysin, ja joillakin aloilla, kuten aurinkosuojakosmetiikassa, tutkimusta on vielä syvennettävä. Sovelletun teknologian tutkimuksen viiveen vuoksi Kiinan nano-TiO2_2-tuotteet eivät pysty muodostamaan sarjatuotantobrändejä eri alojen erityisvaatimusten täyttämiseksi.

② Nano-TiO2:n pintakäsittelytekniikka kaipaa lisätutkimuksia

Pintakäsittelyyn kuuluu epäorgaaninen ja orgaaninen pintakäsittely. Pintakäsittelyteknologia koostuu pintakäsittelyaineen kaavasta, pintakäsittelyteknologiasta ja pintakäsittelylaitteista.

5. Loppupäätelmät

Nano-TiO2:n läpinäkyvyys, ultraviolettisäteilyltä suojaava suorituskyky, dispergoituvuus ja valonkestävyys aurinkovoidekosmetiikassa ovat tärkeitä teknisiä indikaattoreita sen laadun arvioimiseksi, ja nano-TiO2:n synteesiprosessi ja pintakäsittelymenetelmä ovat avainasemassa näiden teknisten indikaattoreiden määrittämisessä.