Zinkoxid & UV-Schutz

IBU-tec Produkt zur Optimierung der UV-Schutz-Eigenschaften

Immer größeres Bewusstsein für die schädigenden Einflüsse direkter Sonnenstrahlung lassen die Anforderungen an UV-Schutzlösungen steigen und die traditionell genutzten Stoffe gelangen an ihre Grenzen.

Verfügbare UV-Absorber

Das Angebot ist geprägt von diversen Vor- und Nachteilen der verschiedenen organischen und anorganischen UV-Absorber, in dem noch kein einzelnes Material alle gewünschten Eigenschaften in sich vereint. So erreichen organische UV-Absorber nicht die Stabilität von anorganischen Metalloxiden und sind außerdem schädlich für die Umwelt, wenn diese z. B. beim Baden ins Wasser gelangen. Breit verfügbare Zinkoxide hinterlassen eine intransparente Schicht auf der Haut, was die Akzeptanz bei Verbrauchen verringert1 und Titanoxide sind photokatalytisch aktiv und können andere Bestandteile der Formulierung angreifen.2-4 Für neue Materialien gibt es also viel Potenzial. Vor diesem Hintergrund beschäftigt sich unsere Forschung & Entwicklung unter anderem mit der Weiterentwicklung von UV-Absorbern.

Zinkoxid weist einzigartige elektrische, mechanische, optische und piezoelektrische Eigenschaften auf und kommt hauptsächlich als Additiv bei der Gummi- und Keramikherstellung zum Einsatz. Auch als Pigment oder in Pharmazeutika findet es Verwendung. Aufgrund der Fähigkeit, UVA- und UVB-Strahlung zu absorbieren, ist es zudem für die Kosmetikindustrie als Wirkstoff in Cremes und Salben als Sonnenschutz interessant und bildet eine Alternative zum weit verbreiteten Titanoxid.1-3

TiO2-Absorber sind photokatalytisch aktiv, was zu unerwünschten Nebenreaktionen mit anderen organischen Komponenten der Formulierung führen kann. Zinkoxid dagegen ist photokatalytisch inaktiv, wodurch die Formulierung nicht angegriffen wird und über einen längeren Zeitraum stabil bleibt. Hinzu kommt, dass Zinkoxid Strahlung über den gesamten UV-C- bis-UV-A-Bereich absorbiert und somit als Breitband-Filter verwendet werden kann.4

Optimierung von Zinkoxid zur Steigerung der Transparenz

Ein Nachteil von Zinkoxid ist jedoch, dass es in makropartikulärer Form nach dem Trocknen eine undurchsichtige Schicht auf der Haut hinterlässt, was die Akzeptanz bei Verbrauchern verringert. Die Behebung dieses visuellen Nachteils kann durch die Reduzierung der Partikelgröße des Zinkoxids in den Nanometerbereich (<100 nm) erfolgen. Die einzelnen Partikel bilden dann Agglomerate, welche die als sicher etablierten Größen deutlich > 120 nm erreichen, doch mit verbesserten Sonnenschutzeigenschaften im Vergleich zu Einzelpartikeln über 100 nm, worin der Ansatz für den geforderten UV-Schutz bei erhöhter Transparenz des Schutzfilmes besteht (Abbildung 1).3

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UV-Schutz Material ZnO oder Zinkoxid von IBU-tec Vergleich der Transparenz

Abbildung 1. Vergleich kommerzieller Referenz (Links) mit IBU-tec Material (rechts)

IBU-tec ZnO – Produktion und Vergleich

Aus diesen Gründen rückt die Suche nach effektiven, skalierbaren und ressourcenschonenden Herstellungsmethoden von nanoskaligem Zinkoxid in den Fokus. Klassische Methoden wie Sol-Gel und Fällung haben den Nachteil einer mehrstufigen und somit energie- und ressourcenaufwendigen Herstellung, um ein Produkt mit den benötigten Eigenschaften zu erhalten. Zudem sind sie teuer, schlecht skalierbar und beinhalten die Verwendung von schädlichen Chemikalien. Dies trägt dazu bei, dass die Herstellung mit hohen Kosten verbunden ist, wodurch großvolumige Anwendungen oft verschlossen bleiben.

Eine einstufige Methode zur Herstellung von Zinkoxid Nanopartikeln ist die Sprühpyrolyse. Dabei wird eine Rohstofflösung mit einem Trägergas dispergiert und in einem Heißgas zum Oxid umgewandelt und kalziniert.5,6 Eine besondere Variante der Sprühpyrolyse kann mit einem Verfahren im Pulsationsreaktor realisiert werden. Hierbei wird ebenfalls eine Rohstofflösung mit einem Trägergas dispergiert und thermisch behandelt. Die Besonderheit liegt in einem pulsierenden Heißgasstrom, der im Vergleich zur klassischen Sprühpyrolyse ein deutlich homogeneres Temperaturprofil ermöglicht. Die einzelnen Partikel werden einer sehr homogenen Temperaturbehandlung unterzogen, was zu einer schmaleren Verteilung der Partikeleigenschaften führt.7

Durch den einfachen aber dennoch flexiblen Aufbau des Pulsationsreaktors konnten Zinkoxid-Nanopartikel unterschiedlicher Form und Größe generiert werden (Abbildung 2). Die spezifische Oberfläche korreliert dabei direkt mit der Partikelgröße. Anhand der Elektronenmikroskopieaufnahmen (TEM) (Abbildung 3) ist ersichtlich, dass das Produkt aus agglomerierten Nanopartikeln mit Primärpartikel Durchmessern zwischen 10 und 20 nm und Agglomerat Durchmessern > 120 nm besteht.

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IBU-tec Zinkoxid oder ZnO Spezifische Oberfläche

Abbildung 2. Spezifische Oberflächen nanoskaliger IBU-tec Zinkoxide, hergestellt unter verschiedenen Prozessbedingungen im Pulsationsreaktor.

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IBU-tec UV Schutz Zinkoxid hat Primärpartikelgröße Nano für optimierte Transparenz

Abbildung 3. Transmissionselektronenmikroskop-Aufnahmen der ZnO Produkte C (links) und A (rechts).

Durch die Überführung der erhaltenen Pulver in Suspensionen mit unterschiedlichen Feststoffanteilen können die Partikel deagglomeriert und somit Produkte für die Anwendung in transparentem Sonnenschutz generiert werden. Dabei wird im Bereich von 280 – 380 nm Strahlung absorbiert, was das gesamte Spektrum für die schädliche Sonneneinstrahlung des UV-A (315 – 380 nm) und UV-B (280 – 315 nm) abdeckt.

Zusätzlich bietet unser Material eine erhöhte Transparenz im Vergleich zu einem kommerziell verfügbarem Referenzmaterial sowie einer Titanoxid-haltigen Formulierung (Abbildung 4).

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IBU-tec Zinkoxid oder ZnO UV-Schutz im Transparenz Vergleich

Abbildung 4. UV-Transmissionsspektrum IBU-tec und Referenz.

Vorteil des im Pulsationsreaktor produzierten Zinkoxids ist die relative Kosteneffizienz des Verfahrens, gepaart mit der geringen Konzentration, die nötig ist, um bereits vollen UV-Schutz zu erreichen. Zudem führen die sehr kleinen durchschnittlichen Partikelgrößen in Kombination mit einer engen Partikelgrößenverteilung zu einem außergewöhnlich hohen Maß an Transparenz im sichtbaren Lichtspektrum. Der UV-Schutz bleibt auch bei der Verarbeitung zu einer Suspension bestehen und das Material weißt hervorragende Dispersionseigenschaften sowohl in Wasser als auch organischen Lösungsmitteln auf.

Quellen

  1. Future Markets Inc. The Global Market for Zinc Oxide Nanopowders www.futuremarketsinc.com/zinc-oxide-nanoparticles/ (accessed Mar 22, 2021).
  2. Akira, Fujishima; Tata, N.Rao and Donald A.Tryk; “Titanium dioxide photocatalysis“; Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews; Volume 1, Issue 1, 29 June 2000, Pages 1-21
  3. Roger I. Bickley, Teresita Gonzalez-Carreno, John S.Lees, Leonardo Palmisano and Richard J.D.Tilley; A structural investigation of titanium dioxide photocatalysts; Journal of Solid State Chemistry; Volume 92, Issue 1, May 1991, Pages 178-190
  4. Picatonotto, T.; Vione, D.; Carlotti, M. E.; Gallarate, M. Photocatalytic Activity of Inorganic Sunscreens. J. Dispers. Sci. Technol.2001, 22 (4), 381–386. doi.org/10.1081/DIS-100106943.
  5. Strobel, R.; Pratsinis, S. E. Flame Aerosol Synthesis of Smart Nanostructured Materials. J. Mater. Chem.2007, 17 (45), 4743–4756. doi.org/10.1039/b711652g.
  6. Pratsinis, S. E. Flame Aerosol Synthesis of Ceramic Powders. Progress in Energy and Combustion Science. Elsevier Ltd January 1, 1998, pp 197–219. doi.org/10.1016/S0360-1285(97)00028-2.
  7. C. Hoffmann und M. Ommer: „Reaktoren für Fluid-Feststoff-Reaktionen: Pulsationsreaktoren“, in Handbuch Chemische Reaktoren: Grundlagen und Anwendungender Chemischen Reaktionstechnik, W. Reschetilowski, Hrsg., Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2019, pp. 1-19. https://link.springer.com/referenceworkentry/10.1007/978-3-662-56444-8_50-1