تكنولوجيا النانو والمواد النانوية: ثاني أكسيد التيتانيوم النانومتري في مستحضرات التجميل الواقية من الشمس

تكنولوجيا النانو والمواد النانوية: ثاني أكسيد التيتانيوم النانومتري في مستحضرات التجميل الواقية من الشمس

كلمات الاقتباس

حوالي 5% من الأشعة التي تشعها الشمس لها أشعة فوق بنفسجية بطول موجي أقل من أو يساوي 400 نانومتر. يمكن تقسيم الأشعة فوق البنفسجية الموجودة في ضوء الشمس إلى: الأشعة فوق البنفسجية طويلة الموجة ذات الطول الموجي 320 نانومتر ~ 400 نانومتر، وتسمى الأشعة فوق البنفسجية من النوع A (UVA)؛ تسمى الأشعة فوق البنفسجية متوسطة الموجة التي يتراوح طولها الموجي من 290 نانومتر إلى 320 نانومتر بالأشعة فوق البنفسجية من النوع B (UVB) وتسمى الأشعة فوق البنفسجية قصيرة الموجة التي يتراوح طولها الموجي من 200 نانومتر إلى 290 نانومتر بالأشعة فوق البنفسجية من النوع C.

نظرًا لطولها الموجي القصير وطاقتها العالية، تتمتع الأشعة فوق البنفسجية بقوة تدميرية كبيرة، والتي يمكن أن تلحق الضرر بجلد الأشخاص، وتسبب الالتهاب أو حروق الشمس، وتؤدي إلى الإصابة بسرطان الجلد بشكل خطير. الأشعة فوق البنفسجية هي العامل الرئيسي الذي يسبب التهاب الجلد وحروق الشمس.

1. مبدأ حماية الأشعة فوق البنفسجية بمادة النانو TiO2

TiO_2 هو أشباه الموصلات من النوع N. الشكل البلوري لـ nano-TiO_2 المستخدم في مستحضرات التجميل الواقية من الشمس هو بشكل عام روتيل، وعرض نطاقه المحظور هو 3.0 فولت. عندما تشع الأشعة فوق البنفسجية ذات الطول الموجي أقل من 400 نانومتر TiO_2، يمكن للإلكترونات الموجودة على نطاق التكافؤ أن تمتص الأشعة فوق البنفسجية وتكون متحمسة يتم إنشاء نطاق التوصيل وأزواج ثقب الإلكترون في نفس الوقت، لذلك يتمتع TiO_2 بوظيفة امتصاص الأشعة فوق البنفسجية. مع حجم الجسيمات الصغيرة والكسور المتعددة، يزيد هذا بشكل كبير من احتمالية حجب أو اعتراض الأشعة فوق البنفسجية.

2. خصائص النانو TiO2 في مستحضرات التجميل الواقية من الشمس

2.1

كفاءة عالية في الحماية من الأشعة فوق البنفسجية

يتم التعبير عن قدرة مستحضرات التجميل الواقية من الشمس على الحماية من الأشعة فوق البنفسجية من خلال عامل الحماية من الشمس (قيمة SPF)، وكلما ارتفعت قيمة SPF، كان تأثير الواقي من الشمس أفضل. نسبة الطاقة اللازمة لإنتاج أقل حمامي يمكن اكتشافه للبشرة المطلية بمنتجات الوقاية من الشمس إلى الطاقة اللازمة لإنتاج حمامي من نفس الدرجة للبشرة التي لا تحتوي على منتجات واقية من الشمس.

نظرًا لأن النانو TiO2 يمتص الأشعة فوق البنفسجية وينثرها، فإنه يعتبر أفضل واقي شمسي طبيعي في الداخل والخارج. بشكل عام، قدرة nano-TiO2 على حماية الأشعة فوق البنفسجية B هي 3-4 أضعاف قدرة nano-ZnO.

2.2

نطاق حجم الجسيمات المناسب

يتم تحديد قدرة التدريع فوق البنفسجي للنانو TiO2 من خلال قدرته على الامتصاص وقدرته على التشتت. كلما كان حجم الجسيمات الأصلية أصغر من Nano-TiO2، كلما كانت قدرة امتصاص الأشعة فوق البنفسجية أقوى. وفقًا لقانون رايلي لتشتت الضوء، يوجد حجم جسيم أصلي مثالي لقدرة التشتت القصوى لـ nano-TiO2 على الأشعة فوق البنفسجية ذات الأطوال الموجية المختلفة. وتظهر التجارب أيضًا أنه كلما زاد الطول الموجي للأشعة فوق البنفسجية، تعتمد قدرة التدريع للنانو تيو 2 بشكل أكبر على قدرتها على التشتت؛ كلما كان طول الموجة أقصر، كلما زاد اعتماد درعها على قدرتها على الامتصاص.

2.3

تشتت وشفافية ممتازة

حجم الجسيمات الأصلي لـ nano-TiO2 أقل من 100 نانومتر، أي أقل بكثير من الطول الموجي للضوء المرئي. من الناحية النظرية، يمكن لـ nano-TiO2 نقل الضوء المرئي عندما يكون مشتتًا بالكامل، لذلك فهو شفاف. بسبب شفافية Nano-TiO2، فإنه لن يغطي الجلد عند إضافته إلى مستحضرات التجميل الواقية من الشمس. لذلك، يمكن أن يظهر جمال البشرة الطبيعي. الشفافية هي أحد المؤشرات المهمة للنانو TiO2 في مستحضرات التجميل الواقية من الشمس. في الواقع، يعتبر nano-TiO2 شفافًا ولكنه ليس شفافًا تمامًا في مستحضرات التجميل الواقية من الشمس، لأن nano-TiO2 يحتوي على جزيئات صغيرة ومساحة سطح محددة كبيرة وطاقة سطحية عالية للغاية، ومن السهل تكوين الركام، مما يؤثر على تشتت وشفافية منتجات.

2.4

مقاومة جيدة للطقس

يتطلب Nano-TiO 2 لمستحضرات التجميل الواقية من الشمس مقاومة معينة للطقس (خاصة مقاومة الضوء). نظرًا لأن nano-TiO2 يحتوي على جزيئات صغيرة ونشاط عالي، فإنه سيولد أزواجًا من ثقب الإلكترون بعد امتصاص الأشعة فوق البنفسجية، وسوف تهاجر بعض أزواج ثقب الإلكترون إلى السطح، مما يؤدي إلى وجود الأكسجين الذري وجذور الهيدروكسيل في الماء الممتز على سطح الماء. نانو TiO2، الذي يتمتع بقدرة أكسدة قوية. سوف يسبب تغير لون المنتجات والرائحة بسبب تحلل التوابل. لذلك، يجب طلاء طبقة عزل شفافة أو أكثر، مثل السيليكا والألومينا والزركونيا، على سطح النانو TiO2 لمنع نشاطه الكيميائي الضوئي.

3. أنواع واتجاهات تطور النانو TiO2

3.1

مسحوق نانو TiO2

تُباع منتجات nano-TiO2 على شكل مسحوق صلب، والذي يمكن تقسيمه إلى مسحوق محب للماء ومسحوق محب للدهون وفقًا للخصائص السطحية لـ nano-TiO2. يتم استخدام المسحوق المحب للماء في مستحضرات التجميل ذات الأساس المائي، بينما يتم استخدام المسحوق المحب للدهون في مستحضرات التجميل ذات الأساس الزيتي. يتم الحصول على المساحيق المحبة للماء عمومًا عن طريق المعالجة السطحية غير العضوية. وقد خضعت معظم مساحيق النانو TiO2 الأجنبية هذه لمعالجة سطحية خاصة وفقًا لمجالات تطبيقها.

3.2

لون البشرة نانو TiO2

نظرًا لأن جزيئات Nano-TiO2 دقيقة وسهلة تشتيت الضوء الأزرق بأطوال موجية أقصر في الضوء المرئي، فعند إضافتها إلى مستحضرات التجميل الواقية من الشمس، سيظهر الجلد باللون الأزرق وسيبدو غير صحي. من أجل مطابقة لون البشرة، غالبًا ما تتم إضافة أصباغ حمراء مثل أكسيد الحديد إلى مستحضرات التجميل في مرحلة مبكرة. ومع ذلك، ونظرًا للاختلاف في الكثافة وقابلية البلل بين النانو-TiO2_2 وأكسيد الحديد، غالبًا ما تظهر الألوان العائمة.

4. حالة إنتاج النانو TiO2 في الصين

إن الأبحاث على نطاق صغير حول nano-TiO2_2 في الصين نشطة للغاية، وقد وصل مستوى البحث النظري إلى المستوى المتقدم عالميًا، لكن البحث التطبيقي والأبحاث الهندسية متخلفة نسبيًا، ولا يمكن تحويل العديد من نتائج الأبحاث إلى منتجات صناعية. بدأ الإنتاج الصناعي للنانو TiO2 في الصين في عام 1997، أي بعد أكثر من 10 سنوات من الإنتاج في اليابان.

هناك سببان يحدان من جودة منتجات nano-TiO2 وقدرتها التنافسية في السوق في الصين:

① بحوث التكنولوجيا التطبيقية متخلفة

تحتاج أبحاث تكنولوجيا التطبيقات إلى حل مشاكل إضافة وتقييم تأثير النانو-TiO2 في النظام المركب. لم يتم تطوير الأبحاث التطبيقية لـ nano-TiO2 في العديد من المجالات بشكل كامل، ولا يزال البحث في بعض المجالات، مثل مستحضرات التجميل الواقية من الشمس، بحاجة إلى التعمق. ونظرًا لتأخر أبحاث التكنولوجيا التطبيقية، فإن منتجات nano-TiO2_2 الصينية لا يمكن تشكيل علامات تجارية تسلسلية لتلبية المتطلبات الخاصة لمختلف المجالات.

② تحتاج تكنولوجيا المعالجة السطحية للنانو TiO2 إلى مزيد من الدراسة

تشمل المعالجة السطحية المعالجة السطحية غير العضوية والمعالجة السطحية العضوية. تتكون تكنولوجيا المعالجة السطحية من صيغة عامل المعالجة السطحية وتكنولوجيا المعالجة السطحية ومعدات المعالجة السطحية.

5. الملاحظات الختامية

تعد الشفافية وأداء الحماية من الأشعة فوق البنفسجية والتشتت ومقاومة الضوء لـ nano-TiO2 في مستحضرات التجميل الواقية من الشمس مؤشرات فنية مهمة للحكم على جودتها، كما أن عملية التوليف وطريقة معالجة السطح لـ nano-TiO2 هي المفتاح لتحديد هذه المؤشرات الفنية.