Nanotehnoloģija un nanomateriāli: nanometru titāna dioksīds saules aizsargkrēmos

Nanotehnoloģija un nanomateriāli: nanometru titāna dioksīds saules aizsargkrēmos

Citēt vārdus

Apmēram 5% no saules izstarotajiem stariem ir ultravioletie stari ar viļņa garumu ≤400 nm. Saules gaismas ultravioletos starus var iedalīt: garo viļņu ultravioletie stari ar viļņa garumu 320 nm ~ 400 nm, ko sauc par A tipa ultravioletajiem stariem (UVA); vidēja viļņa ultravioletie stari ar viļņa garumu no 290 nm līdz 320 nm tiek saukti par B tipa ultravioletajiem stariem (UVB), un īso viļņu ultravioletie stari ar viļņa garumu no 200 nm līdz 290 nm tiek saukti par C tipa ultravioletajiem stariem.

Īsā viļņa garuma un augstās enerģijas dēļ ultravioletajiem stariem ir liela destruktīva jauda, ​​kas var bojāt cilvēku ādu, izraisīt iekaisumu vai saules apdegumus un nopietni izraisīt ādas vēzi. UVB starojums ir galvenais faktors, kas izraisa ādas iekaisumu un saules apdegumus.

1. Ultravioleto staru ekranēšanas princips ar nano TiO2

TiO_2 ir N tipa pusvadītājs. Saules aizsargkrēmos izmantotā nano-TiO_2 kristāliskā forma parasti ir rutils, un tās aizliegtās joslas platums ir 3,0 eV. Kad TiO_2 apstaro UV stari ar viļņa garumu, kas mazāks par 400 nm, elektroni valences joslā var absorbēt UV starus un tikt ierosināti līdz vadītspējas joslai, un vienlaikus tiek ģenerēti elektronu-caurumu pāri, tāpēc TiO_2 absorbē UV starus. Ar maziem daļiņu izmēriem un daudzām frakcijām tas ievērojami palielina ultravioleto staru bloķēšanas vai pārtveršanas varbūtību.

2. Nano-TiO2 raksturojums saules aizsargkrēmos

2.1

Augsta UV aizsardzības efektivitāte

Saules aizsargkrēma kosmētikas spēju aizsargāt pret ultravioleto starojumu izsaka saules aizsargfaktors (SPF vērtība), un jo augstāka SPF vērtība, jo labāka saules aizsargkrēma iedarbība. Enerģijas attiecība, kas nepieciešama, lai radītu viszemāko nosakāmo eritēmu ādai, kas pārklāta ar saules aizsarglīdzekļiem, pret enerģiju, kas nepieciešama, lai radītu tādas pašas pakāpes eritēmu ādai bez saules aizsarglīdzekļiem.

Tā kā nano-TiO2 absorbē un izkliedē ultravioletos starus, tas tiek uzskatīts par ideālāko fizisko saules aizsargkrēmu gan mājās, gan ārzemēs. Kopumā nano-TiO2 spēja aizsargāt pret UVB starojumu ir 3–4 reizes lielāka nekā nano-ZnO.

2.2

Piemērots daļiņu izmēru diapazons

Nano-TiO2 ultravioletā starojuma ekranēšanas spēju nosaka tā absorbcijas spēja un izkliedes spēja. Jo mazāks ir nano-TiO2 sākotnējais daļiņu izmērs, jo spēcīgāka ir ultravioletā starojuma absorbcijas spēja. Saskaņā ar Releja gaismas izkliedes likumu pastāv optimāls sākotnējais daļiņu izmērs, lai nano-TiO2 varētu maksimāli izkliedēt ultravioletos starus ar dažādiem viļņu garumiem. Eksperimenti arī liecina, ka jo garāks ir ultravioleto staru viļņa garums, jo vairāk nano-TiO2 ekranēšanas spēja ir atkarīga no tā izkliedes spējas; jo īsāks ir viļņa garums, jo vairāk tā ekranēšana ir atkarīga no tā absorbcijas spējas.

2.3

Lieliska disperģējamība un caurspīdīgums

Sākotnējais nano-TiO2 daļiņu izmērs ir mazāks par 100 nm, kas ir daudz mazāks par redzamās gaismas viļņa garumu. Teorētiski nano-TiO2 var laist cauri redzamajai gaismai, kad tas ir pilnībā izkliedēts, tāpēc tas ir caurspīdīgs. Nano-TiO2 caurspīdīguma dēļ tas, pievienojot saules aizsargkrēmiem, neaizsedz ādu. Tāpēc tas var parādīt dabisko ādas skaistumu. Caurspīdīgums ir viens no svarīgākajiem nano-TiO2 rādītājiem saules aizsargkrēmu kosmētikā. Faktiski nano-TiO2 ir caurspīdīgs, bet ne pilnībā caurspīdīgs saules aizsargkrēmu kosmētikā, jo nano-TiO2 ir mazas daļiņas, liela īpatnējā virsma un ārkārtīgi augsta virsmas enerģija, un tas viegli veido agregātus, tādējādi ietekmējot produktu izkliedējamību un caurspīdīgumu.

2.4

Laba izturība pret laikapstākļiem

Nano-TiO2 saules aizsargkosmētikā ir nepieciešama noteikta izturība pret laikapstākļiem (īpaši izturība pret gaismu). Tā kā nano-TiO2 ir mazas daļiņas un augsta aktivitāte, pēc ultravioleto staru absorbēšanas tas ģenerēs elektronu-caurumu pārus, un daži elektronu-caurumu pāri migrēs uz virsmu, kā rezultātā ūdenī esošie atomu skābeklis un hidroksilradikāļi adsorbēsies uz nano-TiO2 virsmas, kam ir spēcīga oksidēšanās spēja. Tas izraisīs produktu krāsas maiņu un smaku garšvielu sadalīšanās dēļ. Tāpēc nano-TiO2 virsma jāpārklāj ar vienu vai vairākiem caurspīdīgiem izolācijas slāņiem, piemēram, silīcija dioksīdu, alumīnija oksīdu un cirkonija oksīdu, lai kavētu tā fotoķīmisko aktivitāti.

3. Nano-TiO2 veidi un attīstības tendences

3.1

Nano-TiO2 pulveris

Nano-TiO2 produkti tiek pārdoti cieta pulvera veidā, ko var iedalīt hidrofilā pulverī un lipofilā pulverī atbilstoši nano-TiO2 virsmas īpašībām. Hidrofilo pulveri izmanto kosmētikā uz ūdens bāzes, savukārt lipofilo pulveri izmanto kosmētikā uz eļļas bāzes. Hidrofilos pulverus parasti iegūst, veicot neorganisku virsmas apstrādi. Lielākā daļa šo ārvalstu nano-TiO2 pulveru ir pakļauti īpašai virsmas apstrādei atbilstoši to pielietojuma jomai.

3.2

Ādas krāsas nano TiO2

Tā kā nano-TiO2 daļiņas ir smalkas un viegli izkliedē zilo gaismu ar īsāku viļņu garumu redzamajā gaismā, pievienojot tās saules aizsargkrēmiem, āda iegūs zilu toni un izskatīsies neveselīga. Lai atbilstu ādas krāsai, kosmētikas formulām agrīnā stadijā bieži pievieno sarkanus pigmentus, piemēram, dzelzs oksīdu. Tomēr nano-TiO2_2 un dzelzs oksīda blīvuma un mitrināmības atšķirību dēļ bieži rodas peldošas krāsas.

4. Nano-TiO2 ražošanas statuss Ķīnā

Ķīnā notiek ļoti aktīvi nelieli nano-TiO2_2 pētījumi, un teorētisko pētījumu līmenis ir sasniedzis pasaules augstāko līmeni, taču lietišķā pētniecība un inženierzinātņu pētījumi ir relatīvi atpalikuši, un daudzus pētījumu rezultātus nevar pārveidot rūpnieciskos produktos. Nano-TiO2 rūpnieciskā ražošana Ķīnā sākās 1997. gadā, vairāk nekā 10 gadus vēlāk nekā Japānā.

Ir divi iemesli, kas ierobežo nano-TiO2 produktu kvalitāti un tirgus konkurētspēju Ķīnā:

① Lietišķo tehnoloģiju pētniecība atpaliek

Lietojumprogrammu tehnoloģiju pētījumiem ir jāatrisina nano-TiO2 pievienošanas procesa un ietekmes novērtēšanas problēmas kompozītmateriālu sistēmās. Nano-TiO2 lietojumprogrammu pētījumi daudzās jomās vēl nav pilnībā attīstīti, un pētījumi dažās jomās, piemēram, saules aizsargkrēmu kosmētikā, vēl ir jāpadziļina. Lietišķo tehnoloģiju pētījumu atpalicības dēļ Ķīnas nano-TiO2_2 produkti nevar veidot sērijveida zīmolus, lai apmierinātu dažādu jomu īpašās prasības.

② Nano-TiO2 virsmas apstrādes tehnoloģija ir jāpēta sīkāk.

Virsmas apstrāde ietver neorganisku virsmas apstrādi un organisku virsmas apstrādi. Virsmas apstrādes tehnoloģija sastāv no virsmas apstrādes līdzekļa formulas, virsmas apstrādes tehnoloģijas un virsmas apstrādes iekārtām.

5. Noslēguma piezīmes

Nano-TiO2 caurspīdīgums, ultravioletā starojuma aizsardzības veiktspēja, disperģējamība un gaismas izturība saules aizsargkrēmos ir svarīgi tehniskie rādītāji, lai novērtētu tā kvalitāti, un nano-TiO2 sintēzes process un virsmas apstrādes metode ir galvenie šo tehnisko rādītāju noteikšanas faktori.