Νανοτεχνολογία και Νανοϋλικά: Νανομετρικό Διοξείδιο του Τιτανίου σε Αντηλιακά Καλλυντικά
Παραθέτω λέξεις
Περίπου το 5% των ακτίνων που ακτινοβολούνται από τον ήλιο έχουν υπεριώδη ακτινοβολία με μήκος κύματος ≤400 nm. Οι υπεριώδεις ακτίνες στο ηλιακό φως μπορούν να χωριστούν σε: υπεριώδεις ακτίνες μεγάλου μήκους κύματος με μήκος κύματος 320 nm~400 nm, που ονομάζονται υπεριώδεις ακτίνες τύπου Α (UVA). Οι υπεριώδεις ακτίνες μέσου κύματος με μήκος κύματος από 290 nm έως 320 nm ονομάζονται υπεριώδεις ακτίνες τύπου Β (UVB) και οι υπεριώδεις ακτίνες μικρού μήκους κύματος με μήκος κύματος από 200 nm έως 290 nm ονομάζονται υπεριώδεις ακτίνες τύπου C.
Λόγω του μικρού μήκους κύματος και της υψηλής ενέργειάς τους, οι υπεριώδεις ακτίνες έχουν μεγάλη καταστροφική δύναμη, η οποία μπορεί να βλάψει το δέρμα, να προκαλέσει φλεγμονή ή ηλιακό έγκαυμα και να προκαλέσει σοβαρό καρκίνο του δέρματος. Η UVB είναι ο κύριος παράγοντας που προκαλεί φλεγμονή του δέρματος και ηλιακό έγκαυμα.
1. η αρχή της θωράκισης των υπεριωδών ακτίνων με νανοTiO2
Το TiO_2 είναι ένας ημιαγωγός τύπου Ν. Η κρυσταλλική μορφή του νανο-TiO_2 που χρησιμοποιείται στα αντηλιακά καλλυντικά είναι γενικά ρουτιλίου και το απαγορευμένο πλάτος ζώνης του είναι 3,0 eV. Όταν οι ακτίνες UV με μήκος κύματος μικρότερο από 400nm ακτινοβολούν το TiO_2, τα ηλεκτρόνια στη ζώνη σθένους μπορούν να απορροφήσουν τις ακτίνες UV και να διεγερθούν στη ζώνη αγωγιμότητας, και ταυτόχρονα παράγονται ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών, επομένως το TiO_2 έχει τη λειτουργία της απορρόφησης των ακτίνων UV. Με μικρό μέγεθος σωματιδίων και πολλά κλάσματα, αυτό αυξάνει σημαντικά την πιθανότητα αποκλεισμού ή παρεμπόδισης των υπεριωδών ακτίνων.
2. Χαρακτηριστικά του νανο-TiO2 σε αντηλιακά καλλυντικά
2.1
Υψηλή απόδοση θωράκισης UV
Η ικανότητα θωράκισης των αντηλιακών καλλυντικών από την υπεριώδη ακτινοβολία εκφράζεται με τον παράγοντα ηλιακής προστασίας (τιμή SPF) και όσο υψηλότερη είναι η τιμή SPF, τόσο καλύτερη είναι η αντηλιακή δράση. Η αναλογία της ενέργειας που απαιτείται για την παραγωγή του χαμηλότερου ανιχνεύσιμου ερυθήματος για δέρμα που έχει επικαλυφθεί με αντηλιακά προϊόντα προς την ενέργεια που απαιτείται για την παραγωγή ερυθήματος ίδιου βαθμού για δέρμα χωρίς αντηλιακά προϊόντα.
Καθώς το νανο-TiO2 απορροφά και διασκορπίζει τις υπεριώδεις ακτίνες, θεωρείται το ιδανικό φυσικό αντηλιακό στην εγχώρια αγορά και στο εξωτερικό. Γενικά, η ικανότητα του νανο-TiO2 να προστατεύει από την UVB είναι 3-4 φορές μεγαλύτερη από αυτή του νανο-ZnO.
2.2
Κατάλληλο εύρος μεγέθους σωματιδίων
Η ικανότητα θωράκισης του νανο-TiO2 έναντι της υπεριώδους ακτινοβολίας καθορίζεται από την ικανότητα απορρόφησής του και την ικανότητα σκέδασης. Όσο μικρότερο είναι το αρχικό μέγεθος σωματιδίων του νανο-TiO2, τόσο ισχυρότερη είναι η ικανότητα απορρόφησης της υπεριώδους ακτινοβολίας. Σύμφωνα με τον νόμο του Rayleigh για τη σκέδαση φωτός, υπάρχει ένα βέλτιστο αρχικό μέγεθος σωματιδίων για τη μέγιστη ικανότητα σκέδασης του νανο-TiO2 σε υπεριώδεις ακτίνες με διαφορετικά μήκη κύματος. Τα πειράματα δείχνουν επίσης ότι όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος κύματος των υπεριωδών ακτίνων, η ικανότητα θωράκισης του νανο-TiO2 εξαρτάται περισσότερο από την ικανότητα σκέδασής του. Όσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος, τόσο περισσότερο η θωράκισή του εξαρτάται από την ικανότητα απορρόφησής του.
2.3
Εξαιρετική διασπορά και διαφάνεια
Το αρχικό μέγεθος σωματιδίων του nano-TiO2 είναι κάτω από 100 nm, πολύ μικρότερο από το μήκος κύματος του ορατού φωτός. Θεωρητικά, το nano-TiO2 μπορεί να διαπεράσει το ορατό φως όταν είναι πλήρως διασκορπισμένο, επομένως είναι διαφανές. Λόγω της διαφάνειας του nano-TiO2, δεν θα καλύψει το δέρμα όταν προστεθεί σε αντηλιακά καλλυντικά. Επομένως, μπορεί να δείξει φυσική ομορφιά του δέρματος. Η διαφάνεια είναι ένας από τους σημαντικούς δείκτες του nano-TiO2 στα αντηλιακά καλλυντικά. Στην πραγματικότητα, το nano-TiO2 είναι διαφανές αλλά όχι εντελώς διαφανές στα αντηλιακά καλλυντικά, επειδή το nano-TiO2 έχει μικρά σωματίδια, μεγάλη ειδική επιφάνεια και εξαιρετικά υψηλή επιφανειακή ενέργεια, και είναι εύκολο να σχηματίσει συσσωματώματα, επηρεάζοντας έτσι τη διασπορά και τη διαφάνεια των προϊόντων.
2.4
Καλή αντοχή στις καιρικές συνθήκες
Το Nano-TiO2 για τα αντηλιακά καλλυντικά απαιτεί κάποια αντοχή στις καιρικές συνθήκες (ειδικά αντοχή στο φως). Επειδή το nano-TiO2 έχει μικρά σωματίδια και υψηλή δραστικότητα, θα δημιουργήσει ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών μετά την απορρόφηση υπεριωδών ακτίνων, και ορισμένα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών θα μεταναστεύσουν στην επιφάνεια, με αποτέλεσμα ατομικό οξυγόνο και ρίζες υδροξυλίου στο νερό που προσροφάται στην επιφάνεια του nano-TiO2, το οποίο έχει ισχυρή ικανότητα οξείδωσης. Θα προκαλέσει αποχρωματισμό των προϊόντων και οσμή λόγω της αποσύνθεσης των μπαχαρικών. Επομένως, ένα ή περισσότερα διαφανή στρώματα απομόνωσης, όπως πυριτία, αλουμίνα και ζιρκονία, πρέπει να επικαλυφθούν στην επιφάνεια του nano-TiO2 για να ανασταλεί η φωτοχημική του δράση.
3. Τύποι και τάσεις ανάπτυξης νανο-TiO2
3.1
Σκόνη νανο-TiO2
Τα προϊόντα νανο-TiO2 πωλούνται σε μορφή στερεάς σκόνης, η οποία μπορεί να χωριστεί σε υδρόφιλη σκόνη και λιπόφιλη σκόνη ανάλογα με τις επιφανειακές ιδιότητες του νανο-TiO2. Η υδρόφιλη σκόνη χρησιμοποιείται σε καλλυντικά με βάση το νερό, ενώ η λιπόφιλη σκόνη χρησιμοποιείται σε καλλυντικά με βάση το λάδι. Οι υδρόφιλες σκόνες λαμβάνονται γενικά με ανόργανη επιφανειακή επεξεργασία. Οι περισσότερες από αυτές τις ξένες σκόνες νανο-TiO2 έχουν υποστεί ειδική επιφανειακή επεξεργασία ανάλογα με τα πεδία εφαρμογής τους.
3.2
Χρώμα δέρματος νανο TiO2
Επειδή τα σωματίδια νανο-TiO2 είναι λεπτά και σκεδάζουν εύκολα το μπλε φως με μικρότερο μήκος κύματος στο ορατό φως, όταν προστίθενται σε αντηλιακά καλλυντικά, το δέρμα θα εμφανίσει μπλε τόνο και θα φαίνεται ανθυγιεινό. Προκειμένου να ταιριάζει με το χρώμα του δέρματος, κόκκινες χρωστικές ουσίες όπως το οξείδιο του σιδήρου προστίθενται συχνά στις καλλυντικές φόρμουλες στα αρχικά στάδια. Ωστόσο, λόγω της διαφοράς στην πυκνότητα και την ικανότητα διαβροχής μεταξύ του νανο-TiO2_2 και του οξειδίου του σιδήρου, συχνά εμφανίζονται αιωρούμενα χρώματα.
4. Κατάσταση παραγωγής νανο-TiO2 στην Κίνα
Η μικρής κλίμακας έρευνα για το νανο-TiO2 _ 2 στην Κίνα είναι πολύ ενεργή και το θεωρητικό επίπεδο έρευνας έχει φτάσει στο παγκόσμιο προηγμένο επίπεδο, αλλά η εφαρμοσμένη έρευνα και η μηχανική έρευνα είναι σχετικά καθυστερημένες και πολλά ερευνητικά αποτελέσματα δεν μπορούν να μετατραπούν σε βιομηχανικά προϊόντα. Η βιομηχανική παραγωγή νανο-TiO2 στην Κίνα ξεκίνησε το 1997, περισσότερο από 10 χρόνια αργότερα από την Ιαπωνία.
Υπάρχουν δύο λόγοι που περιορίζουν την ποιότητα και την ανταγωνιστικότητα των προϊόντων νανο-TiO2 στην Κίνα:
① Η έρευνα εφαρμοσμένης τεχνολογίας υστερεί
Η έρευνα τεχνολογίας εφαρμογών πρέπει να λύσει τα προβλήματα της προσθήκης διεργασιών και αξιολόγησης των αποτελεσμάτων του νανο-TiO2 σε σύνθετα συστήματα. Η έρευνα εφαρμογών του νανο-TiO2 σε πολλούς τομείς δεν έχει αναπτυχθεί πλήρως και η έρευνα σε ορισμένους τομείς, όπως τα αντηλιακά καλλυντικά, χρειάζεται ακόμη να εμβαθύνει. Λόγω της υστέρησης στην έρευνα εφαρμοσμένης τεχνολογίας, τα προϊόντα νανο-TiO2_2 της Κίνας δεν μπορούν να σχηματίσουν σειριακές μάρκες για να καλύψουν τις ειδικές απαιτήσεις διαφορετικών τομέων.
② Η τεχνολογία επιφανειακής επεξεργασίας του νανο-TiO2 χρειάζεται περαιτέρω μελέτη
Η επιφανειακή επεξεργασία περιλαμβάνει την ανόργανη επιφανειακή επεξεργασία και την οργανική επιφανειακή επεξεργασία. Η τεχνολογία επιφανειακής επεξεργασίας αποτελείται από τον τύπο του παράγοντα επιφανειακής επεξεργασίας, την τεχνολογία επιφανειακής επεξεργασίας και τον εξοπλισμό επιφανειακής επεξεργασίας.
5. Συμπερασματικές παρατηρήσεις
Η διαφάνεια, η απόδοση θωράκισης στην υπεριώδη ακτινοβολία, η διασπορά και η αντοχή στο φως του νανο-TiO2 στα αντηλιακά καλλυντικά είναι σημαντικοί τεχνικοί δείκτες για την αξιολόγηση της ποιότητάς του, και η διαδικασία σύνθεσης και η μέθοδος επιφανειακής επεξεργασίας του νανο-TiO2 είναι το κλειδί για τον προσδιορισμό αυτών των τεχνικών δεικτών.
Ώρα δημοσίευσης: 04 Ιουλίου 2022