ננוטכנולוגיה וננו-חומרים: טיטניום דיאוקסיד ננומטרי בקוסמטיקה עם קרם הגנה

ננוטכנולוגיה וננו-חומרים: טיטניום דיאוקסיד ננומטרי בקוסמטיקה עם קרם הגנה

מילות ציטוט

כ-5% מהקרניים המקרינות על ידי השמש הן קרניים אולטרה סגולות באורך גל של 400 ננומטר ומעלה. קרניים אולטרה סגולות באור השמש ניתן לחלק ל: קרניים אולטרה סגולות ארוכות גל באורך גל של 320 ננומטר ~ 400 ננומטר, הנקראות קרניים אולטרה סגולות מסוג A (UVA); קרניים אולטרה סגולות גל בינוני באורך גל של 290 ננומטר עד 320 ננומטר נקראות קרניים אולטרה סגולות מסוג B (UVB) וקרניים אולטרה סגולות קצרות גל באורך גל של 200 ננומטר עד 290 ננומטר נקראות קרניים אולטרה סגולות מסוג C.

בשל אורך הגל הקצר והאנרגיה הגבוהה שלהן, לקרניים האולטרה סגולות יש כוח הרסני רב, אשר יכול לפגוע בעור, לגרום לדלקת או כוויות שמש, ולגרום קשות לסרטן העור. UVB הוא הגורם העיקרי הגורם לדלקת עור וכחווי שמש.

1. עקרון המיגון של קרניים אולטרה סגולות בעזרת ננו-TiO2

TiO2 הוא מוליך למחצה מסוג N. צורת הגביש של ננו-TiO2 המשמשת בקוסמטיקה למסנני קרינה היא בדרך כלל רוטיל, ורוחב הפס האסור שלה הוא 3.0 eV. כאשר קרני UV באורך גל קטן מ-400 ננומטר מקרינות TiO2, אלקטרונים בפס הערכיות יכולים לספוג קרני UV ולהיות מעוררים לפס ההולכה, ונוצרים זוגות אלקטרונים-חור בו זמנית, כך של-TiO2 יש את הפונקציה של ספיגת קרני UV. עם גודל חלקיקים קטן וחלקיקים רבים, זה מגדיל מאוד את ההסתברות לחסימה או יירוט של קרניים אולטרה סגולות.

2. מאפייני ננו-TiO2 בקוסמטיקה עם הגנה מהשמש

2.1

יעילות מיגון UV גבוהה

יכולת המיגון האולטרה סגול של מוצרי קוסמטיקה נגד הגנה מתבטאת במקדם ההגנה מהשמש (ערך SPF), וככל שערך ה-SPF גבוה יותר, כך אפקט הגנה מהשמש טוב יותר. היחס בין האנרגיה הנדרשת ליצירת האדמתמה הנמוכה ביותר הניתנת לזיהוי עבור עור מצופה במוצרי הגנה מהשמש לבין האנרגיה הנדרשת ליצירת אדמתמה באותה דרגה עבור עור ללא מוצרי הגנה מהשמש.

מכיוון שננו-TiO2 סופג ומפזר קרניים אולטרה סגולות, הוא נחשב לכלי הגנה פיזיקלי אידיאלי בארץ ובחו"ל. באופן כללי, יכולתו של ננו-TiO2 להגן מפני קרינת UVB היא פי 3-4 מזו של ננו-ZnO.

2.2

טווח גודל חלקיקים מתאים

יכולת המיגון האולטרה סגול של ננו-TiO2 נקבעת על ידי יכולת הבליעה ויכולת הפיזור שלו. ככל שגודל החלקיקים המקורי של ננו-TiO2 קטן יותר, כך יכולת הבליעה האולטרה סגולה חזקה יותר. על פי חוק פיזור האור של ריילי, קיים גודל חלקיקים מקורי אופטימלי ליכולת הפיזור המקסימלית של ננו-TiO2 לקרניים אולטרה סגולות באורכי גל שונים. ניסויים מראים גם שככל שאורך הגל של קרניים אולטרה סגולות ארוך יותר, יכולת המיגון של ננו-TiO2 תלויה יותר ביכולת הפיזור שלו; ככל שאורך הגל קצר יותר, כך המיגון שלו תלוי יותר ביכולת הבליעה שלו.

2.3

פיזור ושקיפות מצוינים

גודל החלקיקים המקורי של ננו-TiO2 נמוך מ-100 ננומטר, הרבה פחות מאורך הגל של האור הנראה. תיאורטית, ננו-TiO2 יכול להעביר אור נראה כאשר הוא מפוזר לחלוטין, ולכן הוא שקוף. בגלל השקיפות של ננו-TiO2, הוא לא יכסה את העור כאשר מוסיפים אותו לקוסמטיקה המבוססת על הגנה מהשמש. לכן, הוא יכול להראות יופי טבעי לעור. שקיפות היא אחד המדדים החשובים של ננו-TiO2 בקוסמטיקה המבוססת על הגנה מהשמש. למעשה, ננו-TiO2 הוא שקוף אך לא שקוף לחלוטין בקוסמטיקה המבוססת על הגנה מהשמש, מכיוון של-nano-TiO2 יש חלקיקים קטנים, שטח פנים ספציפי גדול ואנרגיית שטח גבוהה במיוחד, והוא קל ליצור אגרגטים, ובכך משפיע על פיזור ושקיפות המוצרים.

2.4

עמידות טובה בפני מזג אוויר

ננו-TiO2 לקוסמטיקה עם קרם הגנה דורש עמידות מסוימת בפני מזג אוויר (במיוחד עמידות לאור). מכיוון שלננו-TiO2 יש חלקיקים קטנים ופעילות גבוהה, הוא ייצר זוגות של חורי אלקטרונים לאחר ספיגת קרניים אולטרה סגולות, וחלק מזוגות האלקטרונים-חורים ינדדו אל פני השטח, וכתוצאה מכך ייווצרו חמצן אטומי ורדיקלים הידרוקסיליים במים הנספחים על פני השטח של ננו-TiO2, בעל יכולת חמצון חזקה. זה יגרום לשינוי צבע של מוצרים ולריח עקב פירוק תבלינים. לכן, יש לצפות שכבת בידוד שקופה אחת או יותר, כגון סיליקה, אלומינה וזירקוניה, על פני השטח של ננו-TiO2 כדי לעכב את הפעילות הפוטוכימית שלו.

3. סוגים ומגמות פיתוח של ננו-TiO2

3.1

אבקת ננו-TiO2

מוצרי ננו-TiO2 נמכרים בצורת אבקה מוצקה, אשר ניתן לחלק לאבקה הידרופילית ואבקה ליפופילית בהתאם לתכונות פני השטח של ננו-TiO2. אבקה הידרופילית משמשת בקוסמטיקה על בסיס מים, בעוד שאבקה ליפופילית משמשת בקוסמטיקה על בסיס שמן. אבקות הידרופיליות מתקבלות בדרך כלל על ידי טיפול פני שטח אנאורגני. רוב אבקות הננו-TiO2 הזרות הללו עברו טיפול פני שטח מיוחד בהתאם לתחומי היישום שלהן.

3.2

צבע עור ננו TiO2

מכיוון שחלקיקי ננו-TiO2 הם דקים וקל לפזר אור כחול עם אורך גל קצר יותר באור נראה, כאשר מוסיפים אותם למוצרי קוסמטיקה עם הגנה מהשמש, העור יראה גוון כחול וייראה לא בריא. על מנת להתאים לצבע העור, פיגמנטים אדומים כמו תחמוצת ברזל מוסיפים לעתים קרובות לנוסחאות קוסמטיות בשלב מוקדם. עם זאת, בשל ההבדל בצפיפות וביכולת הרטבה בין ננו-TiO2_2 לתחמוצת ברזל, צבעים צפים מופיעים לעתים קרובות.

4. סטטוס ייצור ננו-TiO2 בסין

מחקר בקנה מידה קטן על ננו-TiO2 _ 2 בסין פעיל מאוד, ורמת המחקר התיאורטית הגיעה לרמה מתקדמת עולמית, אך המחקר היישומי והמחקר ההנדסי מפגרים יחסית, ותוצאות מחקר רבות אינן ניתנות להמרה למוצרים תעשייתיים. הייצור התעשייתי של ננו-TiO2 בסין החל בשנת 1997, יותר מ-10 שנים מאוחר יותר מיפן.

ישנן שתי סיבות המגבילות את האיכות והתחרותיות בשוק של מוצרי ננו-TiO2 בסין:

① מחקר טכנולוגי יישומי מפגר מאחור

מחקר טכנולוגיית היישום צריך לפתור את הבעיות של הוספת הערכה של תהליכים והשפעות של ננו-TiO2 במערכות מרוכבות. מחקר היישום של ננו-TiO2 בתחומים רבים טרם פותח במלואו, והמחקר בתחומים מסוימים, כגון קוסמטיקה עם קרם הגנה, עדיין צריך להעמיק. עקב הפיגור במחקר טכנולוגי יישומי, מוצרי ננו-TiO2_2 של סין אינם יכולים ליצור מותגים סדרתיים כדי לעמוד בדרישות המיוחדות של תחומים שונים.

② טכנולוגיית טיפול פני השטח של ננו-TiO2 זקוקה למחקר נוסף

טיפול פני השטח כולל טיפול פני שטח אנאורגני וטיפול פני שטח אורגני. טכנולוגיית טיפול פני השטח מורכבת מנוסחת חומר לטיפול פני שטח, טכנולוגיית טיפול פני שטח וציוד לטיפול פני שטח.

5. הערות סיכום

השקיפות, ביצועי המיגון האולטרה סגול, הפיזור ועמידות האור של ננו-TiO2 בקוסמטיקה המבוססת על הגנה מהשמש הם מדדים טכניים חשובים לשיפוט איכותו, ותהליך הסינתזה ושיטת טיפול פני השטח של ננו-TiO2 הם המפתח לקביעת מדדים טכניים אלה.