นาโนเทคโนโลยีและนาโนวัสดุ: ไททาเนียมไดออกไซด์ระดับนาโนเมตรในผลิตภัณฑ์กันแดด

นาโนเทคโนโลยีและนาโนวัสดุ: ไททาเนียมไดออกไซด์ระดับนาโนเมตรในผลิตภัณฑ์กันแดด

คำพูดคำคม

ประมาณ 5% ของรังสีที่เปล่งออกมาจากดวงอาทิตย์มีรังสีอัลตราไวโอเลตที่มีความยาวคลื่น ≤400 นาโนเมตร รังสีอัลตราไวโอเลตในแสงแดดสามารถแบ่งได้เป็น รังสีอัลตราไวโอเลตคลื่นยาวที่มีความยาวคลื่น 320 นาโนเมตร~400 นาโนเมตร เรียกว่า รังสีอัลตราไวโอเลตชนิด A (UVA) รังสีอัลตราไวโอเลตคลื่นกลางที่มีความยาวคลื่น 290 นาโนเมตรถึง 320 นาโนเมตร เรียกว่า รังสีอัลตราไวโอเลตชนิด B (UVB) และรังสีอัลตราไวโอเลตคลื่นสั้นที่มีความยาวคลื่น 200 นาโนเมตรถึง 290 นาโนเมตร เรียกว่า รังสีอัลตราไวโอเลตชนิด C

เนื่องจากรังสีอัลตราไวโอเลตมีความยาวคลื่นสั้นและมีพลังงานสูง จึงมีพลังทำลายล้างสูง ซึ่งสามารถทำลายผิวหนังของคนเรา ทำให้เกิดการอักเสบหรือไหม้แดด และก่อให้เกิดมะเร็งผิวหนังได้อย่างรุนแรง รังสี UVB เป็นสาเหตุหลักที่ทำให้ผิวอักเสบและไหม้แดด

1. หลักการป้องกันรังสีอัลตราไวโอเลตด้วยนาโน TiO2

TiO_2 เป็นสารกึ่งตัวนำชนิด N รูปแบบผลึกของนาโน-TiO_2 ที่ใช้ในเครื่องสำอางกันแดดโดยทั่วไปจะเป็นรูไทล์ และแบนด์วิดท์ที่ห้ามคือ 3.0 eV เมื่อรังสี UV ที่มีความยาวคลื่นน้อยกว่า 400nm ฉายรังสี TiO_2 อิเล็กตรอนบนแถบวาเลนซ์สามารถดูดซับรังสี UV และถูกกระตุ้นไปยังแถบการนำไฟฟ้า และสร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮลในเวลาเดียวกัน ดังนั้น TiO_2 จึงมีหน้าที่ในการดูดซับรังสี UV ด้วยขนาดอนุภาคที่เล็กและเศษส่วนจำนวนมาก ทำให้โอกาสในการปิดกั้นหรือสกัดกั้นรังสีอัลตราไวโอเลตเพิ่มขึ้นอย่างมาก

2. คุณสมบัติของนาโน-TiO2 ในผลิตภัณฑ์กันแดด

2.1

ประสิทธิภาพการป้องกันรังสี UV สูง

ความสามารถในการป้องกันรังสีอัลตราไวโอเลตของผลิตภัณฑ์กันแดดนั้นแสดงโดยค่า SPF (ค่าป้องกันแสงแดด) ยิ่งค่า SPF สูงขึ้น ประสิทธิภาพของครีมกันแดดก็จะดีขึ้น อัตราส่วนของพลังงานที่จำเป็นในการสร้างผื่นแดงที่ตรวจพบได้น้อยที่สุดสำหรับผิวที่เคลือบด้วยผลิตภัณฑ์กันแดดเทียบกับพลังงานที่จำเป็นในการสร้างผื่นแดงในระดับเดียวกันสำหรับผิวที่ไม่ได้ใช้ผลิตภัณฑ์กันแดด

เนื่องจากนาโน-TiO2 สามารถดูดซับและกระจายรังสีอัลตราไวโอเลต จึงถือเป็นครีมกันแดดทางกายภาพที่เหมาะสมที่สุดทั้งในประเทศและต่างประเทศ โดยทั่วไป นาโน-TiO2 สามารถป้องกันรังสี UVB ได้ดีกว่านาโน-ZnO ถึง 3-4 เท่า

2.2

ช่วงขนาดอนุภาคที่เหมาะสม

ความสามารถในการป้องกันรังสีอัลตราไวโอเลตของนาโนไททาเนียมไดออกไซด์ถูกกำหนดโดยความสามารถในการดูดซับและความสามารถในการกระเจิง ยิ่งขนาดอนุภาคเดิมของนาโนไททาเนียมไดออกไซด์เล็กเท่าใด ความสามารถในการดูดซับรังสีอัลตราไวโอเลตก็จะยิ่งแข็งแกร่งขึ้นเท่านั้น ตามกฎการกระเจิงแสงของเรย์ลีห์ มีขนาดอนุภาคเดิมที่เหมาะสมที่สุดสำหรับความสามารถในการกระเจิงสูงสุดของนาโนไททาเนียมไดออกไซด์ต่อรังสีอัลตราไวโอเลตที่มีความยาวคลื่นต่างกัน การทดลองยังแสดงให้เห็นอีกด้วยว่ายิ่งความยาวคลื่นของรังสีอัลตราไวโอเลตยาวขึ้น ความสามารถในการป้องกันของนาโนไททาเนียมไดออกไซด์ขึ้นอยู่กับความสามารถในการกระเจิงมากขึ้น ยิ่งความยาวคลื่นสั้นลง ความสามารถในการป้องกันของนาโนไททาเนียมไดออกไซด์ขึ้นอยู่กับความสามารถในการดูดซับมากขึ้นเท่านั้น

2.3

การกระจายตัวและความโปร่งใสที่ยอดเยี่ยม

ขนาดอนุภาคเดิมของนาโน-TiO2 ต่ำกว่า 100 นาโนเมตร ซึ่งน้อยกว่าความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็นได้มาก ในทางทฤษฎี นาโน-TiO2 สามารถส่งผ่านแสงที่มองเห็นได้เมื่อกระจายตัวอย่างสมบูรณ์ จึงทำให้โปร่งใส เนื่องจากนาโน-TiO2 มีความโปร่งใส จึงไม่ปกคลุมผิวหนังเมื่อเติมลงในเครื่องสำอางกันแดด จึงสามารถแสดงความงามตามธรรมชาติของผิวได้ ความโปร่งใสเป็นหนึ่งในดัชนีที่สำคัญของนาโน-TiO2 ในเครื่องสำอางกันแดด ในความเป็นจริง นาโน-TiO2 มีความโปร่งใสแต่ไม่โปร่งใสอย่างสมบูรณ์ในเครื่องสำอางกันแดด เนื่องจากนาโน-TiO2 มีอนุภาคขนาดเล็ก พื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่ และพลังงานพื้นผิวสูงมาก และก่อตัวเป็นมวลรวมได้ง่าย จึงส่งผลต่อการกระจายตัวและความโปร่งใสของผลิตภัณฑ์

2.4

ทนทานต่อสภาพอากาศได้ดี

นาโน-TiO2 สำหรับผลิตภัณฑ์กันแดดต้องมีคุณสมบัติทนทานต่อสภาพอากาศ (โดยเฉพาะทนทานต่อแสง) เนื่องจากนาโน-TiO2 มีอนุภาคขนาดเล็กและมีกิจกรรมสูง จึงจะสร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮลหลังจากดูดซับรังสีอัลตราไวโอเลต และคู่อิเล็กตรอน-โฮลบางส่วนจะอพยพไปที่พื้นผิว ส่งผลให้ออกซิเจนอะตอมและไฮดรอกซิลเรดิคัลในน้ำถูกดูดซับบนพื้นผิวของนาโน-TiO2 ซึ่งมีความสามารถในการออกซิไดซ์สูง ซึ่งจะทำให้ผลิตภัณฑ์เปลี่ยนสีและมีกลิ่นเนื่องจากการสลายตัวของเครื่องเทศ ดังนั้น จึงต้องเคลือบชั้นแยกโปร่งใสหนึ่งชั้นขึ้นไป เช่น ซิลิกา อะลูมินา และเซอร์โคเนีย บนพื้นผิวของนาโน-TiO2 เพื่อยับยั้งกิจกรรมทางเคมีของสาร

3. ชนิดและแนวโน้มการพัฒนาของนาโน-TiO2

3.1

ผงนาโน-TiO2

ผลิตภัณฑ์นาโน-TiO2 จำหน่ายในรูปแบบผงแข็ง ซึ่งสามารถแบ่งได้เป็นผงไฮโดรฟิลิกและผงไลโปฟิลิกตามคุณสมบัติพื้นผิวของนาโน-TiO2 ผงไฮโดรฟิลิกใช้ในเครื่องสำอางที่ใช้น้ำเป็นฐาน ในขณะที่ผงไลโปฟิลิกใช้ในเครื่องสำอางที่ใช้น้ำมันเป็นฐาน ผงไฮโดรฟิลิกมักได้มาจากการเคลือบผิวอนินทรีย์ ผงนาโน-TiO2 จากต่างประเทศส่วนใหญ่ได้รับการเคลือบผิวพิเศษตามสาขาการใช้งาน

3.2

สีผิวนาโน TiO2

เนื่องจากอนุภาคนาโน-TiO2 มีขนาดเล็กและกระจายแสงสีน้ำเงินได้ง่ายเมื่อมีความยาวคลื่นสั้นในแสงที่มองเห็นได้ เมื่อเติมลงในเครื่องสำอางกันแดด ผิวจะแสดงโทนสีน้ำเงินและดูไม่แข็งแรง เพื่อให้เข้ากับสีผิว จึงมักเติมเม็ดสีแดง เช่น เหล็กออกไซด์ ลงในสูตรเครื่องสำอางในช่วงแรก อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความหนาแน่นและความสามารถในการเปียกระหว่างนาโน-TiO2_2 และเหล็กออกไซด์แตกต่างกัน จึงมักเกิดสีลอยขึ้น

4. สถานะการผลิตนาโน-TiO2 ในประเทศจีน

การวิจัยขนาดเล็กเกี่ยวกับนาโน-TiO2_2 ในประเทศจีนมีการดำเนินการอย่างต่อเนื่องและระดับการวิจัยเชิงทฤษฎีได้ไปถึงระดับขั้นสูงของโลกแล้ว แต่การวิจัยประยุกต์และการวิจัยด้านวิศวกรรมยังล้าหลังอยู่มาก และผลการวิจัยจำนวนมากไม่สามารถแปลงเป็นผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรมได้ การผลิตนาโน-TiO2 เชิงอุตสาหกรรมในประเทศจีนเริ่มขึ้นในปี 1997 ซึ่งช้ากว่าญี่ปุ่นมากกว่า 10 ปี

มีสาเหตุสองประการที่จำกัดคุณภาพและความสามารถในการแข่งขันทางการตลาดของผลิตภัณฑ์นาโน-TiO2 ในประเทศจีน:

① การวิจัยเทคโนโลยีประยุกต์ยังล้าหลัง

การวิจัยเทคโนโลยีประยุกต์ต้องแก้ปัญหาในการเพิ่มการประเมินกระบวนการและผลกระทบของนาโนไททาเนียมไดออกไซด์ในระบบคอมโพสิต การวิจัยการประยุกต์ใช้นาโนไททาเนียมไดออกไซด์ในหลายสาขายังไม่ได้รับการพัฒนาอย่างเต็มที่ และการวิจัยในบางสาขา เช่น เครื่องสำอางกันแดด ยังคงต้องเจาะลึกมากขึ้น เนื่องจากการวิจัยเทคโนโลยีประยุกต์ล่าช้า ผลิตภัณฑ์นาโนไททาเนียมไดออกไซด์ของจีนจึงไม่สามารถสร้างแบรนด์ที่ตอบสนองความต้องการพิเศษของสาขาต่างๆ ได้

② เทคโนโลยีการชุบผิวด้วยนาโน-TiO2 จำเป็นต้องมีการศึกษาเพิ่มเติม

การบำบัดพื้นผิวประกอบด้วยการบำบัดพื้นผิวแบบอนินทรีย์และการบำบัดพื้นผิวแบบอินทรีย์ เทคโนโลยีการบำบัดพื้นผิวประกอบด้วยสูตรตัวแทนการบำบัดพื้นผิว เทคโนโลยีการบำบัดพื้นผิว และอุปกรณ์การบำบัดพื้นผิว

5. คำกล่าวสรุป

ความโปร่งใส ประสิทธิภาพในการป้องกันรังสีอัลตราไวโอเลต ความสามารถในการกระจายตัว และความต้านแสงของนาโน TiO2 ในเครื่องสำอางครีมกันแดดถือเป็นดัชนีทางเทคนิคที่สำคัญในการตัดสินคุณภาพ ส่วนกระบวนการสังเคราะห์และวิธีการบำบัดพื้นผิวของนาโน TiO2 ถือเป็นกุญแจสำคัญในการกำหนดดัชนีทางเทคนิคเหล่านี้