Nanotechnologie und Nanomaterialien: Nanometer-Titandioxid in Sonnenschutzkosmetik

Nanotechnologie und Nanomaterialien: Nanometer-Titandioxid in Sonnenschutzkosmetik

Zitatwörter

Etwa 5 % der von der Sonne abgestrahlten Strahlen sind ultraviolette Strahlen mit einer Wellenlänge ≤ 400 nm. Ultraviolette Strahlen im Sonnenlicht können unterteilt werden in: langwellige ultraviolette Strahlen mit einer Wellenlänge von 320 nm bis 400 nm, sogenannte Ultraviolettstrahlen vom Typ A (UVA); mittelwellige ultraviolette Strahlen mit einer Wellenlänge von 290 nm bis 320 nm, sogenannte Ultraviolettstrahlen vom Typ B (UVB) und kurzwellige ultraviolette Strahlen mit einer Wellenlänge von 200 nm bis 290 nm, sogenannte Ultraviolettstrahlen vom Typ C.

Aufgrund ihrer kurzen Wellenlänge und hohen Energie haben ultraviolette Strahlen eine enorme Zerstörungskraft. Sie können die Haut schädigen, Entzündungen oder Sonnenbrand verursachen und ernsthaften Hautkrebs verursachen. UVB ist der Hauptfaktor für Hautentzündungen und Sonnenbrand.

1. Das Prinzip der Abschirmung von UV-Strahlen mit Nano-TiO2

TiO_2 ist ein N-Typ-Halbleiter. Die Kristallform des in Sonnenschutzkosmetik verwendeten Nano-TiO_2 ist in der Regel Rutil, und seine verbotene Bandbreite beträgt 3,0 eV. Wenn UV-Strahlen mit einer Wellenlänge unter 400 nm auf TiO_2 treffen, können Elektronen im Valenzband UV-Strahlen absorbieren und ins Leitungsband übergehen. Gleichzeitig entstehen Elektronen-Loch-Paare, sodass TiO_2 UV-Strahlen absorbiert. Durch die geringe Partikelgröße und die zahlreichen Fraktionen erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, ultraviolette Strahlen zu blockieren oder abzufangen, erheblich.

2. Eigenschaften von Nano-TiO2 in Sonnenschutzkosmetik

2.1

Hohe UV-Abschirmwirkung

Die UV-Schutzwirkung von Sonnenschutzkosmetika wird durch den Lichtschutzfaktor (SPF-Wert) ausgedrückt. Je höher der SPF-Wert, desto besser die Sonnenschutzwirkung. Das Verhältnis der Energie, die erforderlich ist, um bei mit Sonnenschutzmitteln beschichteter Haut ein möglichst geringes Erythem zu erzeugen, zur Energie, die erforderlich ist, um bei Haut ohne Sonnenschutzmittel ein Erythem gleichen Ausmaßes zu erzeugen.

Da Nano-TiO2 ultraviolette Strahlen absorbiert und streut, gilt es im In- und Ausland als idealer physikalischer Sonnenschutz. Im Allgemeinen ist die Fähigkeit von Nano-TiO2, UVB abzuschirmen, 3-4 mal so hoch wie die von Nano-ZnO.

2.2

Geeigneter Partikelgrößenbereich

Die UV-Abschirmungsfähigkeit von Nano-TiO2 wird durch sein Absorptions- und Streuvermögen bestimmt. Je kleiner die ursprüngliche Partikelgröße von Nano-TiO2, desto stärker ist die UV-Absorption. Nach dem Rayleighschen Gesetz der Lichtstreuung gibt es eine optimale ursprüngliche Partikelgröße für die maximale Streuungsfähigkeit von Nano-TiO2 gegenüber ultravioletter Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge. Experimente zeigen außerdem, dass die Abschirmungsfähigkeit von Nano-TiO2 umso stärker von seinem Streuvermögen abhängt, je länger die Wellenlänge der ultravioletten Strahlung ist; je kürzer die Wellenlänge, desto stärker hängt die Abschirmung von seinem Absorptionsvermögen ab.

2.3

Hervorragende Dispergierbarkeit und Transparenz

Die ursprüngliche Partikelgröße von Nano-TiO2 liegt unter 100 nm und damit deutlich unter der Wellenlänge des sichtbaren Lichts. Theoretisch kann Nano-TiO2 sichtbares Licht durchlassen, wenn es vollständig dispergiert ist, und ist somit transparent. Aufgrund seiner Transparenz bedeckt Nano-TiO2 die Haut nicht, wenn es Sonnenschutzkosmetik zugesetzt wird. Dadurch kann die natürliche Schönheit der Haut betont werden. Transparenz ist ein wichtiges Merkmal von Nano-TiO2 in Sonnenschutzkosmetik. Tatsächlich ist Nano-TiO2 in Sonnenschutzkosmetik transparent, aber nicht vollständig transparent, da Nano-TiO2 kleine Partikel, eine große spezifische Oberfläche und eine extrem hohe Oberflächenenergie aufweist und leicht Aggregate bildet, was die Dispergierbarkeit und Transparenz der Produkte beeinträchtigt.

2.4

Gute Witterungsbeständigkeit

Nano-TiO₂ für Sonnenschutzkosmetik erfordert eine gewisse Witterungsbeständigkeit (insbesondere Lichtbeständigkeit). Da Nano-TiO₂ kleinteilig und hochaktiv ist, bildet es nach Absorption von UV-Strahlung Elektronen-Loch-Paare. Einige Elektronen-Loch-Paare wandern an die Oberfläche, wodurch atomare Sauerstoff- und Hydroxylradikale im Wasser an der Oberfläche von Nano-TiO₂ adsorbiert werden. Das stark oxidationsfähige Nano-TiO₂ weist eine starke Oxidationsfähigkeit auf und führt zu Verfärbungen der Produkte und Geruchsbildung durch Zersetzung von Gewürzen. Daher muss die Oberfläche von Nano-TiO₂ mit einer oder mehreren transparenten Isolierschichten, beispielsweise aus Siliciumdioxid, Aluminiumoxid oder Zirkonoxid, beschichtet werden, um dessen photochemische Aktivität zu hemmen.

3. Arten und Entwicklungstrends von Nano-TiO2

3.1

Nano-TiO2-Pulver

Die Nano-TiO₂-Produkte werden in Form von festem Pulver verkauft, das je nach Oberflächeneigenschaften in hydrophiles und lipophiles Pulver unterteilt werden kann. Hydrophiles Pulver wird in wasserbasierten Kosmetika verwendet, lipophiles Pulver hingegen in ölbasierten Kosmetika. Hydrophile Pulver werden in der Regel durch anorganische Oberflächenbehandlung gewonnen. Die meisten dieser ausländischen Nano-TiO₂-Pulver werden je nach Anwendungsgebiet einer speziellen Oberflächenbehandlung unterzogen.

3.2

Hautfarbe Nano TiO2

Da Nano-TiO₂-Partikel fein sind und blaues Licht mit kürzerer Wellenlänge im sichtbaren Licht leicht streuen, führt die Zugabe zu Sonnenschutzkosmetik zu einem Blaustich und einem ungesunden Hautbild. Um die Hautfarbe anzupassen, werden Kosmetikformeln häufig frühzeitig rote Pigmente wie Eisenoxid zugesetzt. Aufgrund der unterschiedlichen Dichte und Benetzbarkeit von Nano-TiO₂ und Eisenoxid kommt es jedoch häufig zu schwebenden Farben.

4. Produktionsstatus von Nano-TiO2 in China

In China wird im kleinen Maßstab intensiv an Nano-TiO2 geforscht, und das theoretische Forschungsniveau hat weltweit Spitzenniveau erreicht. Die angewandte und ingenieurwissenschaftliche Forschung ist jedoch noch relativ rückständig, und viele Forschungsergebnisse lassen sich nicht in industrielle Produkte umsetzen. Die industrielle Produktion von Nano-TiO2 begann in China 1997, mehr als zehn Jahre später als in Japan.

Es gibt zwei Gründe, die die Qualität und Wettbewerbsfähigkeit von Nano-TiO2-Produkten in China einschränken:

① Die angewandte Technologieforschung hinkt hinterher

Die anwendungstechnische Forschung muss die Probleme der Prozess- und Wirkungsbewertung von Nano-TiO2 im Verbundsystem lösen. Die Anwendungsforschung zu Nano-TiO2 ist in vielen Bereichen noch nicht vollständig entwickelt, und in einigen Bereichen, wie beispielsweise Sonnenschutzkosmetik, muss die Forschung noch vertieft werden. Aufgrund des Rückstands in der angewandten Technologieforschung können chinesische Nano-TiO2_2-Produkte keine Serienmarken bilden, die den speziellen Anforderungen verschiedener Bereiche gerecht werden.

② Die Oberflächenbehandlungstechnologie von Nano-TiO2 muss weiter untersucht werden

Die Oberflächenbehandlung umfasst anorganische und organische Oberflächenbehandlung. Die Oberflächenbehandlungstechnologie besteht aus der Formel des Oberflächenbehandlungsmittels, der Oberflächenbehandlungstechnologie und der Oberflächenbehandlungsausrüstung.

5. Schlussbemerkungen

Die Transparenz, die UV-Abschirmleistung, die Dispergierbarkeit und die Lichtbeständigkeit von Nano-TiO2 in Sonnenschutzkosmetika sind wichtige technische Indizes zur Beurteilung seiner Qualität, und der Syntheseprozess und die Oberflächenbehandlungsmethode von Nano-TiO2 sind der Schlüssel zur Bestimmung dieser technischen Indizes.