Nanotehnoloogia ja nanomaterjalid: nanomeetri titaandioksiid päikesekaitsekreemides

Nanotehnoloogia ja nanomaterjalid: nanomeetri titaandioksiid päikesekaitsekreemides

Tsitaadisõnad

Umbes 5% päikese kiirgavatest kiirtest on ultraviolettkiired lainepikkusega ≤400 nm. Päikesevalguse ultraviolettkiired võib jagada järgmiselt: pikalainelised ultraviolettkiired lainepikkusega 320 nm–400 nm, mida nimetatakse A-tüüpi ultraviolettkiirteks (UVA); keskmise lainepikkusega ultraviolettkiiri lainepikkusega 290 nm kuni 320 nm nimetatakse B-tüüpi ultraviolettkiirteks (UVB) ja lühilainelised ultraviolettkiiri lainepikkusega 200 nm kuni 290 nm nimetatakse C-tüüpi ultraviolettkiirteks.

Lühikese lainepikkuse ja suure energia tõttu on ultraviolettkiirtel suur hävitav jõud, mis võib kahjustada inimeste nahka, põhjustada põletikku või päikesepõletust ning tõsiselt nahavähki. UVB on peamine nahapõletiku ja päikesepõletuse põhjustaja.

1. ultraviolettkiirte varjestamise põhimõte nano-TiO2-ga

TiO₂ on N-tüüpi pooljuht. Päikesekaitsekosmeetikas kasutatava nano-TiO₂ kristallvorm on üldiselt rutiil ja selle keelatud tsooni laius on 3,0 eV. Kui TiO₂ kiiritab UV-kiired lainepikkusega alla 400 nm, võivad valentstsooni elektronid neelata UV-kiiri ja ergastuda juhtivustsooni, tekitades samal ajal elektron-auk paare, mistõttu TiO₂-l on UV-kiiri neelava funktsiooni. Väikese osakeste suuruse ja arvukate fraktsioonidega suureneb oluliselt ultraviolettkiirte blokeerimise või pealtkuulamise tõenäosus.

2. Nano-TiO2 omadused päikesekaitsekosmeetikas

2.1

Kõrge UV-kaitse efektiivsus

Päikesekaitsekosmeetika ultraviolettkiirguse varjestusvõimet väljendatakse päikesekaitsefaktoriga (SPF-väärtusega) ja mida kõrgem on SPF-väärtus, seda parem on päikesekaitseefekt. Päikesekaitsetoodetega kaetud nahal madalaima tuvastatava erüteemi tekitamiseks vajaliku energia ja päikesekaitsetoodeteta nahal sama astme erüteemi tekitamiseks vajaliku energia suhe.

Kuna nano-TiO2 neelab ja hajutab ultraviolettkiiri, peetakse seda nii kodus kui ka välismaal kõige ideaalsemaks füüsikaliseks päikesekaitsekreemiks. Üldiselt on nano-TiO2 võime UVB-kiirguse eest kaitsta 3–4 korda suurem kui nano-ZnO-l.

2.2

Sobiv osakeste suuruse vahemik

Nano-TiO2 ultraviolettkiirguse varjestusvõime määratakse selle neeldumis- ja hajumisvõime järgi. Mida väiksem on nano-TiO2 algne osakeste suurus, seda tugevam on ultraviolettkiirguse neeldumisvõime. Rayleighi valguse hajumise seaduse kohaselt on nano-TiO2 maksimaalse hajumisvõime jaoks erineva lainepikkusega ultraviolettkiirgusele olemas optimaalne algne osakeste suurus. Katsed näitavad ka, et mida pikem on ultraviolettkiirguse lainepikkus, seda rohkem sõltub nano-TiO2 varjestusvõime selle hajumisvõimest; mida lühem on lainepikkus, seda rohkem sõltub selle varjestus selle neeldumisvõimest.

2.3

Suurepärane dispergeeruvus ja läbipaistvus

Nano-TiO2 algne osakeste suurus on alla 100 nm, mis on palju väiksem kui nähtava valguse lainepikkus. Teoreetiliselt suudab nano-TiO2 täielikult hajutatuna nähtavat valgust läbi lasta, seega on see läbipaistev. Tänu nano-TiO2 läbipaistvusele ei kata see päikesekaitsekosmeetikasse lisamisel nahka. Seega saab see näidata naha loomulikku ilu. Läbipaistvus on nano-TiO2 üks olulisi näitajaid päikesekaitsekosmeetikas. Tegelikult on nano-TiO2 päikesekaitsekosmeetikas läbipaistev, kuid mitte täiesti läbipaistev, kuna nano-TiO2-l on väikesed osakesed, suur eripind ja äärmiselt kõrge pinnaenergia ning see moodustab kergesti agregaate, mõjutades seega toodete hajutatavust ja läbipaistvust.

2.4

Hea ilmastikukindlus

Päikesekaitsekosmeetikas kasutatav nano-TiO2 vajab teatud ilmastikukindlust (eriti valguskindlust). Kuna nano-TiO2-l on väikesed osakesed ja kõrge aktiivsus, tekitab see pärast ultraviolettkiirte neeldumist elektron-auk paare ning mõned elektron-auk paarid migreeruvad pinnale, mille tulemusel adsorbeeruvad nano-TiO2 pinnale vees aatomhapnik ja hüdroksüülradikaalid ning sellel on tugev oksüdeerimisvõime. See põhjustab toodete värvimuutust ja vürtside lagunemise tõttu lõhna. Seetõttu tuleb nano-TiO2 pinnale katta üks või mitu läbipaistvat isolatsioonikihti, näiteks ränidioksiid, alumiiniumoksiid ja tsirkooniumoksiid, et pärssida selle fotokeemilist aktiivsust.

3. Nano-TiO2 tüübid ja arengusuunad

3.1

Nano-TiO2 pulber

Nano-TiO2 tooteid müüakse tahke pulbri kujul, mida saab vastavalt nano-TiO2 pinnaomadustele jagada hüdrofiilseks ja lipofiilseks pulbriks. Hüdrofiilset pulbrit kasutatakse veepõhistes kosmeetikatoodetes, lipofiilset pulbrit aga õlipõhistes kosmeetikatoodetes. Hüdrofiilsed pulbrid saadakse üldiselt anorgaanilise pinnatöötluse teel. Enamik neist välismaistest nano-TiO2 pulbritest on läbinud spetsiaalse pinnatöötluse vastavalt nende kasutusvaldkonnale.

3.2

Nahavärvi nano TiO2

Kuna nano-TiO2 osakesed on peened ja hajutavad kergesti lühema lainepikkusega sinist valgust nähtavas valguses, siis päikesekaitsekosmeetikale lisamisel muutub nahk sinakaks ja näeb ebatervislik välja. Nahavärvi sobitamiseks lisatakse kosmeetikatoodetele sageli algstaadiumis punaseid pigmente, näiteks raudoksiidi. Nano-TiO2 ja raudoksiidi tiheduse ja märguvuse erinevuse tõttu tekivad aga sageli hõljuvad värvid.

4. Nano-TiO2 tootmise olukord Hiinas

Hiinas on nano-TiO2_2 väikesemahuline uuring väga aktiivne ning teoreetilise uurimistöö tase on jõudnud maailma kõrgtasemele, kuid rakendusuuringud ja inseneriuuringud on suhteliselt mahajäänud ning paljusid uurimistulemusi ei saa tööstustoodeteks muuta. Nano-TiO2 tööstuslik tootmine Hiinas algas 1997. aastal, enam kui 10 aastat hiljem kui Jaapanis.

Hiinas on nano-TiO2 toodete kvaliteeti ja turukonkurentsivõimet piiravad kaks põhjust:

① Rakendustehnoloogia uuringud jäävad maha

Rakendustehnoloogia uuringud peavad lahendama nano-TiO2 lisamisprotsessi ja mõju hindamise probleemid komposiitsüsteemides. Nano-TiO2 rakendusuuringud paljudes valdkondades pole veel täielikult välja töötatud ning mõnes valdkonnas, näiteks päikesekaitsekosmeetikas, tuleb uuringuid veel süvendada. Rakendustehnoloogia uuringute mahajäämuse tõttu ei saa Hiina nano-TiO2_2 tooted moodustada seeriatootmisbrände, mis vastaksid erinevate valdkondade erinõuetele.

② Nano-TiO2 pinnatöötlustehnoloogia vajab edasist uurimist

Pinnatöötlus hõlmab anorgaanilist ja orgaanilist pinnatöötlust. Pinnatöötlustehnoloogia koosneb pinnatöötlusvahendi valemist, pinnatöötlustehnoloogiast ja pinnatöötlusseadmetest.

5. Kokkuvõtvad märkused

Päikesekaitsekosmeetikas sisalduva nano-TiO2 läbipaistvus, ultraviolettkiirguse varjestus, dispergeeruvus ja valguskindlus on olulised tehnilised näitajad selle kvaliteedi hindamisel ning nano-TiO2 sünteesiprotsess ja pinnatöötlusmeetod on nende tehniliste näitajate määramise võtmeks.