ナノテクノロジーとナノマテリアル：日焼け止め化粧品に含まれるナノメートル二酸化チタン
引用文
太陽から放射される光線の約5%は、波長400nm以下の紫外線です。太陽光に含まれる紫外線は、波長320nm～400nmの長波紫外線（A型紫外線（UVA））、波長290nm～320nmの中波紫外線（B型紫外線（UVB）、波長200nm～290nmの短波紫外線（C型紫外線）に分けられます。
紫外線は波長が短くエネルギーが高いため、大きな破壊力があり、皮膚にダメージを与え、炎症や日焼けを引き起こし、深刻な皮膚がんを引き起こす可能性があります。特にUVBは、皮膚の炎症や日焼けを引き起こす主な要因です。
1. ナノTiO2による紫外線遮断の原理
TiO_2はN型半導体です。日焼け止め化粧品に用いられるナノTiO_2の結晶形は一般的にルチル型で、禁制帯幅は3.0eVです。波長400nm以下の紫外線がTiO_2に照射されると、価電子帯の電子が紫外線を吸収して伝導帯に励起され、同時に電子正孔対が生成されるため、TiO_2は紫外線を吸収する機能を有します。粒子径が小さく、粒子数が多いため、紫外線を遮断または遮断する確率が大幅に高まります。
2. 日焼け止め化粧品におけるナノTiO2の特性
2.1
高い紫外線遮蔽効率
日焼け止め化粧品の紫外線遮蔽能力は、サンプロテクションファクター（SPF値）で表され、SPF値が高いほど日焼け止め効果が高くなります。SPF値は、日焼け止め製品を塗布した皮膚で検出可能な最低レベルの紅斑を生じさせるために必要なエネルギーと、日焼け止め製品を塗布していない皮膚で同程度の紅斑を生じさせるために必要なエネルギーの比です。
ナノTiO2は紫外線を吸収・散乱するため、国内外で最も理想的な物理的な日焼け止めとして認識されています。一般的に、ナノTiO2のUVB遮断能力はナノZnOの3～4倍です。
2.2
適切な粒子サイズ範囲
ナノTiO2の紫外線遮蔽能力は、吸収能力と散乱能力によって決まります。ナノTiO2の粒子径が小さいほど、紫外線吸収能力は強くなります。レイリーの光散乱の法則によれば、ナノTiO2の紫外線に対する散乱能力を最大化するには、最適な粒子径があります。実験結果からも、紫外線の波長が長いほど、ナノTiO2の遮蔽能力は散乱能力に大きく依存し、波長が短いほど、遮蔽能力は吸収能力に大きく依存することが示されています。
2.3
優れた分散性と透明性
ナノTiO2の本来の粒子サイズは100nm未満で、可視光の波長をはるかに下回ります。理論上、ナノTiO2は完全に分散すると可視光を透過するため、透明となります。この透明性により、日焼け止め化粧品に配合しても肌を覆うことなく、自然な肌の美しさを演出できます。透明性は、日焼け止め化粧品におけるナノTiO2の重要な指標の一つです。実際には、ナノTiO2は日焼け止め化粧品において透明ではあるものの、完全に透明ではありません。これは、ナノTiO2の粒子が小さく、比表面積が大きく、表面エネルギーが非常に高いため、凝集体を形成しやすく、製品の分散性と透明性に影響を与えるためです。
2.4
優れた耐候性
日焼け止め化粧品に使用されるナノTiO2には、一定の耐候性（特に耐光性）が求められます。ナノTiO2は粒子が小さく活性が高いため、紫外線を吸収すると電子正孔対を生成し、一部の電子正孔対が表面に移動し、ナノTiO2表面に吸着した水中に原子状酸素やヒドロキシラジカルが発生します。これらの物質は強い酸化力を持ち、製品の変色や香料の分解による悪臭の原因となります。そのため、ナノTiO2表面にシリカ、アルミナ、ジルコニアなどの透明な絶縁層を1層以上コーティングし、光化学活性を抑制する必要があります。
3. ナノTiO2の種類と開発動向
3.1
ナノTiO2粉末
ナノTiO2製品は固体粉末の形で販売されており、ナノTiO2の表面特性に応じて親水性粉末と親油性粉末に分けられます。親水性粉末は水性化粧品に使用され、親油性粉末は油性化粧品に使用されます。親水性粉末は一般的に無機表面処理によって得られます。これらの海外製ナノTiO2粉末の多くは、用途分野に応じて特殊な表面処理が施されています。
3.2
肌色ナノTiO2
ナノTiO2粒子は微細で、可視光線の中でも波長の短い青色光を散乱しやすいため、日焼け止め化粧品に配合すると、肌が青みがかって不健康に見えてしまいます。肌の色に合わせるため、初期段階では酸化鉄などの赤色顔料が化粧品処方に添加されることがよくあります。しかし、ナノTiO2と酸化鉄の密度と濡れ性の違いにより、色浮きが生じることがよくあります。
4. 中国におけるナノTiO2の生産状況
中国におけるナノTiO2_2の小規模研究は非常に活発で、理論研究レベルは世界最先端レベルに達しているものの、応用研究と工学研究は比較的遅れており、多くの研究成果が工業製品化に至っていない。中国におけるナノTiO2の工業生産は1997年に開始され、日本より10年以上遅れている。
中国におけるナノ TiO2 製品の品質と市場競争力を制限する理由は 2 つあります。
① 応用技術研究が遅れている
応用技術研究は、ナノTiO2の複合システムへの添加プロセスと効果評価といった問題を解決する必要がある。ナノTiO2の応用研究は多くの分野において未だ十分には進んでおらず、日焼け止め化粧品など一部の分野では研究の深化が依然として求められている。応用技術研究の遅れにより、中国のナノTiO2_2製品は、様々な分野の特殊な要求を満たすシリーズブランドを形成することができていない。
②ナノTiO2の表面処理技術は更なる研究が必要である
表面処理には、無機表面処理と有機表面処理があり、表面処理技術は表面処理剤配合、表面処理技術、表面処理装置から構成されます。
5. 結論
日焼け止め化粧品におけるナノTiO2の透明性、紫外線遮蔽性能、分散性、耐光性などは、その品質を判断する上で重要な技術指標であり、ナノTiO2の合成プロセスと表面処理方法がこれらの技術指標を決定する鍵となります。
投稿日時: 2022年7月4日