Factors to control the alignment of surface‐treated titanium dioxide powders to maximize performance of sunscreens. (7th December 2022)

• Record Type: Journal Article
• Authors: Takekawa, Shoji; Ohara, Miwa; Banno, Taisuke; Asakura, Kouichi
• Is Part Of: International journal of cosmetic science. Volume 45:Number 1(2023)
• Page Start: 38
• Page End: 49
• Publication Date: 2022-12-07
• Subjects: formulation/stability -- performance of sunscreens -- skin barrier -- spectroscopy -- surface‐treated titanium dioxide powders; Cosmetics -- Periodicals; 668.5505
• DOI: 10.1111/ics.12816
• Languages: English
• ISSNs: 0142-5463

Abstract

Abstract: Objective: Titanium dioxide powders are contained in a large class of colour cosmetics and sunscreen formulas. When they are used, the formation of a uniform functional powder layer on the skin is an important factor to show their functionality, such as aesthetic and UV protection. Attempts were made to extract the factors that affect the UV shielding ability of the deposited powder layer. Methods: Seven kinds of surface treatments were conducted on nano‐sized titanium dioxide powder to modify the surface characteristics. Dispersion samples were prepared by mixing these powders with liquids, such as mixed solutions of cyclopentasiloxane, isododecane, coconuts alkane and dimethicone using a disperser and a bead mill. The dispersions were applied using an applicator on cellulose triacetate film, polycarbonate film and polymethyl pentene film. Laser microscope observation and micro‐gloss glossmeter analysis were carried out to assess the flatness of the deposited powder layers, and the UV shielding ability was evaluated using SPF analyser. Results: Factors whose influences on the structure and UV shielding ability of the deposited powder layer being analysed were pseudo‐HLB of the powders, liquids for preparing the dispersions and material of the substrates. Higher UV shielding ability was attained when powders having pseudo‐HLB at around 6 were employed independent from the kinds of liquids and substrates. Flatness of the deposited layer was found to enhance the UV shielding ability of the UV‐B region, while that of the UV‐A region was scarcely influenced by the flatness. Employing lower surface tension liquids for preparing the dispersions and materials exhibiting lower polar components of surface free energy as substrates tended to enhance the UV shielding ability. Conclusion: Surface treatments conducted on the powders in this study were found to change UV shielding ability, especially UV‐B shielding ability, and the relation between pseudo‐HLB and UV shielding ability was scarcely influenced by the kinds of liquids. Both surface tension of liquids and the polar component of surface free energy of substrates affected the UV shielding ability. It was suggested that pseudo‐HLB calculated based on chemical structure becomes useful information to choose optimum surface treatment to make uniform powder alignment independent from the surrounding environment. Abstract : This study shows that surface treatment changes powders' UV shielding ability, especially the UV‐B range. The relation between pseudo‐HLB and UV shielding ability was not influenced by the kinds of liquids very much. However, liquid surface tension and the polar component of surface free energy of substrates affected the UV shielding ability. Résumé: Objectif: Les poudres de dioxyde de titane font partie d'une grande classe de cosmétiques de couleur et de formules d'écran solaire. Lorsqu'elles sont utilisées, la formation d'une couche de poudre fonctionnelle uniforme sur la peau est un facteur important pour démontrer leur mode d'action, qu'il s'agisse de l'aspect esthétique ou de la protection contre les UV. Des tentatives ont été faites pour extraire les facteurs qui altèrent la capacité de protection contre les UV de la couche de poudre déposée. Méthodes: Sept types de traitements de surface ont été effectués sur une poudre de dioxyde de titane de taille nanométrique pour modifier les caractéristiques de surface. Des échantillons de dispersion ont été préparés en mélangeant ces poudres avec des liquides, tels que des mélanges de cyclopentasiloxane, d'isododécane, d'alcane de noix de coco et de diméthicone, à l'aide d'un disperseur et d'un broyeur à billes. Les dispersions ont été appliquées avec un applicateur sur un film de triacétate de cellulose, un film de polycarbonate et un film de polyméthylpentène. Une observation au microscope laser ainsi qu'une analyse au micro‐glossmètre ont été faites pour évaluer la planéité des couches de poudre déposées, et la capacité de protection contre les UV a été évaluée avec un analyseur SPF (indice de protection solaire). Résultats: Les facteurs qui influent sur la structure et la capacité de protection contre les UV de la couche de poudre déposée analysée étaient le pseudo‐HLB (équilibre hydrophile/lipophile) des poudres, les liquides pour la préparation des dispersions et le matériau des substrats. Une meilleure capacité de protection contre les UV a été obtenue lorsque des poudres ayant un pseudo‐HLB d'environ 6 étaient utilisées, indépendamment des types de liquides et de substrats. La planéité de la couche déposée s'est avérée améliorer la capacité de protection contre les UV de la région UV‐B, alors qu'elle n'a eu que peu d'incidence sur celle de la région UV‐A. L'utilisation de liquides à faible tension de surface pour préparer les dispersions et les matériaux présentant comme substrats des composants polaires inférieurs de l'énergie libre de surface avait tendance à améliorer la capacité de protection contre les UV. Conclusion: Les traitements de surface effectués sur les poudres dans cette étude ont montré qu'ils modifiaient la capacité de protection contre les UV, en particulier la capacité de protection contre les UV‐B, et que la relation entre le pseudo‐HLB et la capacité de protection contre les UV était peu influencée par les types de liquides. La tension de surface des liquides et le composant polaire de l'énergie libre de surface des substrats ont affecté la capacité de protection contre les UV. Il a été suggéré que le pseudo‐HLB calculé en fonction de la structure chimique devient utile.