Oxyde de zinc et protection UV

Produit IBU-tec pour optimiser les propriétés de protection UV

La prise de conscience des effets néfastes du rayonnement solaire direct accroît la demande de solutions de protection contre les UV.

Absorbeurs d'UV disponibles

Les matériaux traditionnellement utilisés dans ce domaine arrivent à leurs limites. Cette gamme se caractérise par les divers avantages et inconvénients des différents absorbeurs d'UV organiques et inorganiques pour lesquels aucun matériau unique ne réunit toutes les propriétés souhaitées. Les absorbeurs UV organiques, par exemple, n'atteignent pas la stabilité des oxydes métalliques inorganiques et sont également nocifs pour l'environnement si, par exemple, ils pénètrent dans l'eau pendant la baignade. Les oxydes de zinc largement disponibles laissent une couche opaque sur la peau, ce qui réduit leur acceptation par les consommateurs 1 et les oxydes de titane sont photocatalytiquement actifs et peuvent attaquer d'autres composants de la formulation. 2-4 Il y a donc beaucoup de potentiel pour de nouveaux matériaux. Dans cette optique, l'un des domaines sur lesquels se concentre notre R&D est la poursuite du développement des absorbeurs d'UV.

L'oxyde de zinc possède des propriétés électriques, mécaniques, optiques et piézoélectriques uniques et est principalement utilisé comme additif dans la production de caoutchouc et de céramique. Il est également utilisé comme pigment ou dans les produits pharmaceutiques. En raison de sa capacité à absorber les rayons UVA et UVB, il présente également un intérêt pour l'industrie cosmétique en tant qu'ingrédient actif dans les crèmes et les pommades comme écran solaire et constitue une alternative à l'oxyde de titane largement utilisé. 1-3

Les absorbeurs TiO2 sont actifs par photocatalyse, ce qui peut entraîner des réactions secondaires indésirables avec d'autres composants organiques de la formulation. L'oxyde de zinc, quant à lui, est photocatalytiquement inactif, ce qui signifie que la formulation n'est pas attaquée et reste stable pendant une plus longue période. En outre, l'oxyde de zinc absorbe le rayonnement sur toute la gamme des UV-C à UV-A et peut donc être utilisé comme un filtre à large bande. 4

Optimisation de l'oxyde de zinc pour augmenter la transparence

Cependant, l'un des inconvénients de l'oxyde de zinc est que, sous forme macroparticulaire, il laisse une couche opaque sur la peau après séchage, ce qui réduit son acceptabilité par les consommateurs. Il est possible de remédier à cet inconvénient visuel en réduisant la taille des particules d'oxyde de zinc à l'échelle du nanomètre (<100 nm). Les particules individuelles forment alors des agglomérats, qui atteignent les tailles établies bien > 120 nm, mais avec des propriétés de protection solaire améliorées par rapport aux particules individuelles de plus de 100 nm, ce qui est l'approche pour la protection UV requise avec une transparence accrue du film protecteur (Figure 1). 3

Figure 1 : Comparaison de la référence commerciale (à gauche) avec le matériau IBU-tec (à droite)

IBU-tec ZnO – production et comparaison

C'est pourquoi la recherche de méthodes de fabrication efficaces, évolutives et économes en ressources pour l'oxyde de zinc à l'échelle nanométrique est au centre des préoccupations. Les méthodes classiques telles que le sol-gel et la précipitation présentent l'inconvénient d'une production en plusieurs étapes et donc consommatrice d'énergie et de ressources pour obtenir un produit ayant les propriétés requises. Elles sont également coûteuses, peu évolutives et impliquent l'utilisation de produits chimiques nocifs. Cela contribue au coût élevé de la fabrication, qui maintient souvent les applications à grand volume hors de portée.

Une méthode en une seule étape pour la production de nanoparticules d'oxyde de zinc est la pyrolyse par pulvérisation. Dans ce procédé, une solution de matière première est dispersée avec un gaz porteur et convertie en oxyde dans un gaz chaud et calciné. 5,6 Une variante spéciale de la pyrolyse par pulvérisation peut être réalisée avec un procédé dans un réacteur à pulsation. Ici, une solution de matière première est également dispersée avec un gaz porteur et traitée thermiquement. La particularité est un flux de gaz chaud pulsé, qui permet d'obtenir un profil de température beaucoup plus homogène qu'avec la pyrolyse classique par pulvérisation. Les particules individuelles sont soumises à un traitement thermique très homogène, ce qui conduit à une distribution plus étroite des propriétés des particules. 7

Grâce à la conception simple mais flexible du réacteur à pulsation, des nanoparticules d'oxyde de zinc de différentes formes et tailles ont pu être générées (figure 2). Ici, la surface spécifique est en corrélation directe avec la taille des particules. Les images au microscope électronique (TEM) (figure 3) montrent que le produit est constitué de nanoparticules agglomérées avec des diamètres de particules primaires compris entre 10 et 20 nm et des diamètres d'agglomérats > 120 nm.

Figure 2 : Surfaces spécifiques des oxydes de zinc IBU-tec de taille nanométrique produits dans différentes conditions de traitement dans le réacteur à pulsation.

Figure 3. Micrographies électroniques à transmission des produits ZnO C (gauche) et A (droite).

En transférant les poudres obtenues dans des suspensions ayant des teneurs en solides différentes, les particules peuvent être désagglomérées et des produits destinés à être appliqués dans des écrans solaires transparents peuvent ainsi être générés. Le rayonnement est absorbé dans la plage de 280 à 380 nm, qui couvre l'ensemble du spectre du rayonnement solaire nocif des UV-A (315 à 380 nm) et des UV-B (280 à 315 nm).

En outre, notre matériau offre une transparence accrue par rapport à un matériau de référence disponible dans le commerce ainsi qu'à une formulation contenant de l'oxyde de titane (figure 4).

Figure 4 : Spectre de transmission UV de l'IBU-tec et de la référence.

L'avantage de l'oxyde de zinc produit dans le réacteur à pulsation est la rentabilité relative du processus, associée à la faible concentration requise pour obtenir une protection UV complète. En outre, les très petites tailles moyennes des particules combinées à une distribution étroite des tailles de particules donnent lieu à un degré exceptionnellement élevé de transparence dans le spectre de la lumière visible. La protection UV est maintenue même lorsqu'elle est transformée en suspension et le matériau présente d'excellentes propriétés de dispersion dans l'eau et les solvants organiques.

Sources

  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