Rozmiar cząstek dwutlenku tytanu a skuteczność ochrony przeciwsłonecznej

• Strona główna
• Artykuły
• Rozmiar cząstek dwutlenku tytanu a skuteczność ochrony przeciwsłonecznej

Data publikacji: 2013-06-24

Współczesne receptury produktów o wysokim wskaźniku ochrony przeciwsłonecznej (SPF) często bazują na mieszaninie organicznych i nieorganicznych filtrów UV. W ramach ochrony przed promieniowaniem UVB stosuje się – jako uzupełnienie lub alternatywę dla organicznych filtrów UV – materiały na bazie dwutlenku tytanu (TiO₂), ponieważ mają one właściwość skutecznego zapobiegania poparzeniom słonecznym, a przy tym są pozbawione wad typowych dla organicznych filtrów UV (fotodegradacji, a także – w niektórych przypadkach – niekorzystnego profilu toksykologicznego). Niemiecki Federalny Instytut Oceny Ryzyka (BfR) uznał, że filtry UV na bazie TiO₂ nie przenikają do skóry właściwej i nie stanowią zagrożenia dla użytkowników.

Dwutlenek tytanu
Pierwsze produkty pochłaniające promieniowanie UV wykorzystujące TiO₂ miały tendencję do wywoływania efektu bielenia po nałożeniu na skórę. Nie jest to właściwość zaskakująca, jeśli weźmie się pod uwagę fakt, że kilka milionów ton TiO₂ rocznie wykorzystywanych jest jako biały pigment w farbach i tworzywach sztucznych ze względu na bardzo wysoki współczynnik załamania światła tego związku chemicznego: 2,493 w przypadku anatazu i 2,616 w przypadku rutylu. Aby jednak spełnić zapotrzebowanie przemysłu kosmetycznego na receptury preparatów promieniochronnych, które skutecznie filtrują promieniowanie UVB i nie wywołują przy tym efektu bielenia, już w latach 70. ubiegłego wieku opracowano odmiany TiO₂ o zoptymalizowanych właściwościach. Przykładowo: zmniejszając wielkość pierwotnych cząstek w pigmentach TiO₂, obniżono zdolność rozpraszania światła widzialnego przy jednoczesnym utrzymaniu wysokiej zdolności rozpraszania promieniowania UV.

Efekt ten można wyjaśnić, przywołując teorię rozpraszania światła sformułowaną przez Gustava Mie. Zjawiska rozpraszania i absorpcji światła są w odmienny sposób zależne od wielkości cząstek. W przypadku rozpraszania światła, które jest odpowiedzialne za efekt bielenia wywoływany przez TiO₂ można określić optymalną wielkość pierwotnych cząstek – jest ona zbliżona do połowy długości fali światła widzialnego, standardowo od 200 nm do 300 nm. Należy zaznaczyć, że przy powyższym obliczeniu przyjęto wartość 550 nm jako reprezentatywną długość fali światła widzialnego, ponieważ odpowiada ona największej wrażliwości oka ludzkiego. Zmniejszenie wielkości pierwotnych cząstek TiO₂ powoduje ograniczenie efektu bielenia przy jednoczesnym utrzymaniu skutecznej ochrony przed promieniowaniem UV. Z tego względu optymalna wielkość pierwotnych cząstek w przypadku filtrów UV na bazie TiO₂ mieści się zazwyczaj w przedziale 15-50 nm.

Z uwagi na zmiany w obowiązujących na terenie Europy przepisach dotyczących preparatów kosmetycznych producenci produktów promieniochronnych nie mają pewności co do wykorzystywania w produkcji mineralnych filtrów UV. W nowym Rozporządzeniu (WE) nr 1223/2009 dotyczącym produktów kosmetycznych, które wchodzi w życie w 2013 roku, po raz pierwszy w kontekście regulacyjnym zdefiniowano pojęcie nanomateriałów. Zgodnie z podaną w nim definicją, jeżeli składniki pochłaniające promieniowanie UV bazujące na TiO₂ należą do kategorii „nanomateriałów”, ich użycie w dowolnym produkcie kosmetycznym należy zaznaczyć, podając przyrostek „(nano)” w wykazie składników wg systemu nazewnictwa INCI sporządzonym dla danego produktu. TiO₂, który miałby być oznaczany takim przyrostkiem, uwzględniony jest w załączniku VI do rozporządzenia jako produkt przeznaczony do wykorzystywania w recepturach kosmetyków. Aby jednak uniknąć potencjalnych negatywnych reakcji konsumentów w związku z umieszczeniem przyrostka „nano” w oznaczeniach produktów, podjęto badania zmierzające do opracowania nieorganicznych filtrów UV, które nie wymagają takiego znakowania.

Aktualnie toczy się debata na temat wymogów regulacyjnych, skuteczności ochrony przeciwsłonecznej oraz względów estetycznych. Z punktu widzenia obowiązujących regulacji uzasadnione wydaje się zwiększenie wielkości pierwotnych cząstek w materiałach pochłaniających promieniowanie UV opracowanych na bazie TiO₂, aby uniknąć konieczności umieszczania zwrotu „(nano)” w wykazie składników. Doświadczenie zdobyte podczas opracowywania produktów tego rodzaju pokazuje jednak, że warunkiem ich skuteczności jest wielkość poniżej 100 nm. W związku z tymi uwarunkowaniami celem niniejszego badania było ustalenie, w jaki sposób wielkość pierwotnych cząstek wpływa na właściwości aplikacyjne TiO₂ jako substancji pochłaniającej promieniowanie UV w preparatach do ochrony przeciwsłonecznej.

Materiały i metody
Eksperymentalne substancje pochłaniające promieniowanie UV na bazie TiO₂
Eksperymentalne hydrofobowe produkty na bazie TiO₂ pochłaniające promieniowanie UV wytworzono w procesie hydrolizy płomieniowej TiO₂ prowadzonej w obecności wodoru i tlenu. Podczas tego procesu w pierwszej kolejności dochodzi do powstania wody w następstwie spalania wodoru w mieszaninie gazów wzbogaconej tlenem. Powstała w ten sposób woda o skrajnie wysokiej temperaturze powoduje hydrolizę gazowego czterochlorku tytanu, tworząc TiO₂ oraz gazowy chlorowodór. Powstałe cząstki TiO₂ są oddzielane od gazowych produktów ubocznych. W zależności od konstrukcji reaktora oraz dzięki precyzyjnej kontroli parametrów procesu można odpowiednio regulować główne parametry uzyskiwanych materiałów, np. wielkość pierwotnych cząstek, wielkość agregatów, ich kształt i rozkład. Modyfikację powierzchni produktów uzyskano na drodze reakcji zewnętrznej powierzchni TiO₂ z odpowiednimi odczynnikami, w tym przypadku trimetoksykaprylilosilanem. Poprzez reakcję trimetoksykaprylilosilanu z grupami hydroksylowymi znajdującymi się na powierzchni TiO₂ silnie hydrofobowe grupy oktylowe ulegają nieodwracalnemu zakotwiczeniu na powierzchni cząstek. Alkohol, który wydziela się w trakcie tej reakcji z alkoksysilanu ulega całkowitemu usunięciu poprzez obróbkę termiczną ze sproszkowanego dwutlenku tytanu o modyfikowanej powierzchni. Główne cechy procesu modyfikacji powierzchniowej (typ, homogeniczność) były ściśle kontrolowane poprzez dobór warunków procesu.

Właściwości produktu: Obrazy mikroskopowe uzyskano przy pomocy odpowiednio skalibrowanego transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM). Ok. 2 mg porcje substancji badanych zdyspergowano w chloroformie przy pomocy ultradźwięków przez 3 min. Wielkość cząstek pierwotnych oznaczono poprzez selekcję reprezentatywnych fragmentów skalibrowanych obrazów TEM oraz ich naniesienie na przezroczyste folie, które następnie poddano analizieb. Selekcji, pomiarom i analizie statystycznej poddano ok. 2500 cząstek.

Wielkość zewnętrzną agregatów i aglomeratów badanych substancji w dyspersji oznaczono na drodze analizy granulometrycznej metodą dyfrakcji laserowejc, przy wykorzystaniu uniwersalnego modułu płynów. Aby przygotować próbki badane, odważono 7,5 g porcje proszków i zdyspergowano je w 142,5 g benzoesanu alkilowego C12-15, wykorzystując urządzenie typu rotor-stator wyposażone w mieszadło.

2-3 krople uzyskanej dyspersji rozcieńczono dodatkowo benzoesanem alkilowym C12-15 bezpośrednio przed przeprowadzeniem pomiaru. Jako wzorzec wykorzystano dostępny komercyjnie hydrofobowy dwutlenek tytanu.

CAŁY ARTYKUŁ ZNAJDĄ PAŃSTWO W NR 2/2013 KWARTALNIKA "CHEMIA I BIZNES. RYNEK KOSMETYCZNY I CHEMII GOSPODARCZEJ". ZAPRASZAMY.

Jeśli chcą Państwo bezpłatnie otrzymywać kwartalnik w 2013 roku, prosimy o kontakt z redakcją: redakcja@chemiaibiznes.com.pl

Źródło: Allured Business Media, Cosmetics & Toiletries

dwutlenek tytanufiltry UVochrona przeciwslonecznapromieniowanie UVprzemysl kosmetycznySPF