نانوفناوری و نانومواد: دی‌اکسید تیتانیوم نانومتری در لوازم آرایشی ضد آفتاب

نانوفناوری و نانومواد: دی‌اکسید تیتانیوم نانومتری در لوازم آرایشی ضد آفتاب

نقل قول کلمات

حدود ۵٪ از پرتوهای تابش شده توسط خورشید، پرتوهای فرابنفش با طول موج ≤۴۰۰ نانومتر هستند. پرتوهای فرابنفش موجود در نور خورشید را می‌توان به موارد زیر تقسیم کرد: پرتوهای فرابنفش با موج بلند با طول موج ۳۲۰ نانومتر تا ۴۰۰ نانومتر که پرتوهای فرابنفش نوع A (UVA) نامیده می‌شوند؛ پرتوهای فرابنفش با موج متوسط ​​با طول موج ۲۹۰ نانومتر تا ۳۲۰ نانومتر که پرتوهای فرابنفش نوع B (UVB) نامیده می‌شوند و پرتوهای فرابنفش با موج کوتاه با طول موج ۲۰۰ نانومتر تا ۲۹۰ نانومتر که پرتوهای فرابنفش نوع C نامیده می‌شوند.

اشعه ماوراء بنفش به دلیل طول موج کوتاه و انرژی بالا، قدرت تخریب زیادی دارد که می‌تواند به پوست افراد آسیب برساند، باعث التهاب یا آفتاب سوختگی شود و به طور جدی سرطان پوست ایجاد کند. UVB عامل اصلی ایجاد التهاب پوست و آفتاب سوختگی است.

۱. اصل محافظت از اشعه ماوراء بنفش با نانو TiO2

TiO_2 یک نیمه‌رسانای نوع N است. شکل کریستالی نانو TiO_2 که در لوازم آرایشی ضد آفتاب استفاده می‌شود، عموماً روتایل است و پهنای باند ممنوعه آن 3.0 eV است. هنگامی که اشعه ماوراء بنفش با طول موج کمتر از 400 نانومتر به TiO_2 تابیده می‌شود، الکترون‌های روی نوار ظرفیت می‌توانند اشعه ماوراء بنفش را جذب کرده و به نوار رسانش برانگیخته شوند و همزمان جفت‌های الکترون-حفره تولید می‌شوند، بنابراین TiO_2 عملکرد جذب اشعه ماوراء بنفش را دارد. با اندازه ذرات کوچک و کسرهای متعدد، این امر احتمال مسدود کردن یا رهگیری اشعه ماوراء بنفش را تا حد زیادی افزایش می‌دهد.

۲. ویژگی‌های نانو دی‌اکسید تیتانیوم در لوازم آرایشی ضد آفتاب

۲.۱

راندمان بالای محافظت در برابر اشعه ماوراء بنفش

توانایی محافظت در برابر اشعه ماوراء بنفش لوازم آرایشی ضد آفتاب با ضریب محافظت در برابر آفتاب (مقدار SPF) بیان می‌شود و هرچه مقدار SPF بالاتر باشد، اثر ضد آفتاب بهتر است. نسبت انرژی مورد نیاز برای تولید کمترین اریتم قابل تشخیص برای پوست پوشیده شده با محصولات ضد آفتاب به انرژی مورد نیاز برای تولید اریتم با همان درجه برای پوست بدون محصولات ضد آفتاب.

از آنجایی که نانو دی‌اکسید تیتانیوم اشعه ماوراء بنفش را جذب و پراکنده می‌کند، به عنوان ایده‌آل‌ترین کرم ضد آفتاب فیزیکی در داخل و خارج از کشور در نظر گرفته می‌شود. به طور کلی، توانایی نانو دی‌اکسید تیتانیوم در محافظت در برابر اشعه ماوراء بنفش B، 3 تا 4 برابر نانو اکسید روی است.

۲.۲

محدوده اندازه ذرات مناسب

توانایی محافظت در برابر اشعه ماوراء بنفش نانو TiO2 با توانایی جذب و پراکندگی آن تعیین می‌شود. هرچه اندازه اولیه ذرات نانو TiO2 کوچکتر باشد، توانایی جذب اشعه ماوراء بنفش قوی‌تر است. طبق قانون پراکندگی نور ریلی، یک اندازه بهینه اولیه ذرات برای حداکثر توانایی پراکندگی نانو TiO2 در برابر اشعه ماوراء بنفش با طول موج‌های مختلف وجود دارد. آزمایش‌ها همچنین نشان می‌دهند که هرچه طول موج اشعه ماوراء بنفش بلندتر باشد، توانایی محافظت نانو TiO2 بیشتر به توانایی پراکندگی آن بستگی دارد. هرچه طول موج کوتاه‌تر باشد، محافظت آن بیشتر به توانایی جذب آن بستگی دارد.

۲.۳

پراکندگی و شفافیت عالی

اندازه ذرات اولیه نانو TiO2 کمتر از 100 نانومتر است، که بسیار کمتر از طول موج نور مرئی است. از لحاظ تئوری، نانو TiO2 می‌تواند نور مرئی را هنگامی که کاملاً پراکنده شده است، منتقل کند، بنابراین شفاف است. به دلیل شفافیت نانو TiO2، هنگام افزودن به لوازم آرایشی ضد آفتاب، پوست را نمی‌پوشاند. بنابراین، می‌تواند زیبایی طبیعی پوست را نشان دهد. شفافیت یکی از شاخص‌های مهم نانو TiO2 در لوازم آرایشی ضد آفتاب است. در واقع، نانو TiO2 شفاف است اما در لوازم آرایشی ضد آفتاب کاملاً شفاف نیست، زیرا نانو TiO2 دارای ذرات کوچک، سطح ویژه بزرگ و انرژی سطحی بسیار بالایی است و به راحتی می‌تواند تجمع یابد، بنابراین بر پراکندگی و شفافیت محصولات تأثیر می‌گذارد.

۲.۴

مقاومت خوب در برابر آب و هوا

نانو دی اکسید تیتانیوم (Nano-TiO2) برای لوازم آرایشی ضد آفتاب نیاز به مقاومت در برابر آب و هوا (به ویژه مقاومت در برابر نور) دارد. از آنجا که نانو دی اکسید تیتانیوم ذرات کوچک و فعالیت بالایی دارد، پس از جذب اشعه ماوراء بنفش، جفت الکترون-حفره تولید می‌کند و برخی از جفت الکترون-حفره‌ها به سطح مهاجرت می‌کنند و در نتیجه اکسیژن اتمی و رادیکال‌های هیدروکسیل در آب جذب شده روی سطح نانو دی اکسید تیتانیوم (Nano-TiO2) که توانایی اکسیداسیون قوی دارد، ایجاد می‌شوند. این امر باعث تغییر رنگ محصولات و بو به دلیل تجزیه ادویه‌ها می‌شود. بنابراین، یک یا چند لایه عایق شفاف مانند سیلیس، آلومینا و زیرکونیا باید روی سطح نانو دی اکسید تیتانیوم پوشش داده شوند تا فعالیت فتوشیمیایی آن مهار شود.

3. انواع و روند توسعه نانو-TiO2

۳.۱

پودر نانو TiO2

محصولات نانو دی اکسید تیتانیوم (Nano-TiO2) به شکل پودر جامد فروخته می‌شوند که می‌توان آنها را بر اساس خواص سطحی نانو دی اکسید تیتانیوم به پودر آبدوست و پودر چربی‌دوست تقسیم کرد. پودر آبدوست در لوازم آرایشی پایه آب و پودر چربی‌دوست در لوازم آرایشی پایه روغن استفاده می‌شود. پودرهای آبدوست عموماً با عملیات سطحی معدنی به دست می‌آیند. اکثر این پودرهای نانو دی اکسید تیتانیوم خارجی بر اساس زمینه‌های کاربردی خود، تحت عملیات سطحی ویژه‌ای قرار گرفته‌اند.

۳.۲

رنگ پوست نانو TiO2

از آنجا که ذرات نانو دی اکسید تیتانیوم ریز هستند و به راحتی نور آبی با طول موج کوتاه‌تر را در نور مرئی پراکنده می‌کنند، وقتی به کرم‌های ضد آفتاب اضافه می‌شوند، پوست رنگ آبی پیدا می‌کند و ظاهری ناسالم پیدا می‌کند. برای تطبیق رنگ پوست، رنگدانه‌های قرمز مانند اکسید آهن اغلب در مراحل اولیه به فرمول‌های آرایشی اضافه می‌شوند. با این حال، به دلیل تفاوت در چگالی و ترشوندگی بین نانو دی اکسید تیتانیوم و اکسید آهن، اغلب رنگ‌های شناور ایجاد می‌شود.

4. وضعیت تولید نانو دی اکسید تیتانیوم در چین

تحقیقات در مقیاس کوچک روی نانو دی‌اکسید تیتانیوم در چین بسیار فعال است و سطح تحقیقات نظری به سطح پیشرفته جهانی رسیده است، اما تحقیقات کاربردی و تحقیقات مهندسی نسبتاً عقب مانده هستند و بسیاری از نتایج تحقیقات را نمی‌توان به محصولات صنعتی تبدیل کرد. تولید صنعتی نانو دی‌اکسید تیتانیوم در چین در سال ۱۹۹۷، بیش از ۱۰ سال دیرتر از ژاپن، آغاز شد.

دو دلیل وجود دارد که کیفیت و رقابت‌پذیری بازار محصولات نانو دی‌اکسید تیتانیوم را در چین محدود می‌کند:

۱. تحقیقات فناوری کاربردی عقب مانده است

تحقیقات فناوری کاربردی باید مشکلات افزودن فرآیند و ارزیابی اثر نانو دی‌اکسید تیتانیوم در سیستم‌های کامپوزیتی را حل کند. تحقیقات کاربردی نانو دی‌اکسید تیتانیوم در بسیاری از زمینه‌ها به طور کامل توسعه نیافته است و تحقیقات در برخی زمینه‌ها، مانند لوازم آرایشی ضد آفتاب، هنوز نیاز به تعمیق دارد. به دلیل عقب‌ماندگی تحقیقات فناوری کاربردی، محصولات نانو دی‌اکسید تیتانیوم چین نمی‌توانند برندهای سریالی را برای برآورده کردن نیازهای ویژه زمینه‌های مختلف تشکیل دهند.

② فناوری عملیات سطحی نانو TiO2 نیاز به مطالعه بیشتر دارد

عملیات سطحی شامل عملیات سطحی معدنی و عملیات سطحی آلی است. فناوری عملیات سطحی از فرمول عامل عملیات سطحی، فناوری عملیات سطحی و تجهیزات عملیات سطحی تشکیل شده است.

۵. سخنان پایانی

شفافیت، عملکرد محافظت در برابر اشعه ماوراء بنفش، پراکندگی و مقاومت نوری نانو دی اکسید تیتانیوم در لوازم آرایشی ضد آفتاب، شاخص‌های فنی مهمی برای قضاوت در مورد کیفیت آن هستند و فرآیند سنتز و روش تصفیه سطحی نانو دی اکسید تیتانیوم، کلید تعیین این شاخص‌های فنی هستند.