GLAS-KERAMIK-KOMPOSIT ENTHALTEND NANOPARTIKEL GLASS-CERAMIC COMPOSITE CONTAINING NANOPARTICLES
Die Erfindung betrifft ein anorganisches Glas-Keramik-Kompositmaterial, umfassend eine Glas- oder Glaskeramikphase sowie Nanopartikel. Das Kompositmaterial zeichnet sich insbesondere durch seine antimikrobiellen, entzündungshemmenden, wundheilenden und lichtabsorbierenden sowie lichtstreuenden Eigenschaften aus.The invention relates to an inorganic glass-ceramic composite material comprising a glass or glass ceramic phase and nanoparticles. The composite material is characterized in particular by its antimicrobial, anti-inflammatory, wound-healing and light-absorbing and light-scattering properties.
Gläser mit bioaktiver und teilweise auch antimikrobieller Wirkung werden bei L.L. Hensch, J. Wilson, An Introduction to Bioceramics, World Scientific Publ., 1993, als Bioglas beschrieben. Derartiges Bioglas zeichnet sich durch Bildung von Hydroxylappatitschichten in wäßrigen Medien aus. Schwermetallfreie Alkali- Erdalkali-Silicat-Gläser mit antimikrobiellen Eigenschaften werden in den Anmeldungen WO 01/04252 und WO 01/03650 beschrieben.Glasses with bioactive and sometimes also antimicrobial effects are available from L.L. Hensch, J. Wilson, An Introduction to Bioceramics, World Scientific Publ., 1993, as Bioglas. Such bioglass is characterized by the formation of hydroxylappatite layers in aqueous media. Heavy metal-free alkali-alkaline earth silicate glasses with antimicrobial properties are described in the applications WO 01/04252 and WO 01/03650.
Die DE 19647 368 A1 zeigt Verbundwerkstoffe enthaltend ein Substrat und ein damit in funktionellem Kontakt stehendes Nanokomposit. Das Substrat kann aus Glasmaterial bestehen und in Form von Pulvern vorliegen. Das Nanokomposit kann das Substrat als Beschichtung ganz oder teilweise bedecken.DE 19647 368 A1 shows composite materials containing a substrate and a nanocomposite that is in functional contact therewith. The substrate can consist of glass material and be in the form of powders. The nanocomposite can completely or partially cover the substrate as a coating.
Aus der US 5,676,720 ist ein Glaspulver bekannt geworden, das 40 - 60 Gew.% Si02, 5 - 30 Gew.% Na20, 10 - 35 Gew.% CaO, 0 - 12 Gew.% P205 umfaßt, wobei auch eine Glaskeramik, hergestellt aus einem Glas einer derartigen Zusammensetzung, bekannt geworden ist.A glass powder has become known from US Pat. No. 5,676,720 which comprises 40-60% by weight of SiO 2 , 5-30% by weight of Na 2 0, 10-35% by weight of CaO, 0-12% by weight of P 2 0 5 , a glass ceramic made from a glass of such a composition has also become known.
US 5,981 ,412 beschreibt eine bioaktive Biokeramik für medizinische Anwendungen mit der kristallinen Phase Na2O • 2 CaO • 3 SiO2. Die Kristallitgröße liegt bei 13 μm. Die Keramisierung erfolgt mit Temperschritten für Keimbildung und Kristallisation. Schwerpunkt liegt auf den mechanischen Eigenschaften wie z.B. K1c . Der Kristallphasenanteil liegt zwischen 34 und 60 Vol.-%.
Nanopartikel wie beispielsweise Ti02 oder ZnO werden mit Partikelgrößen von ca. 20 - 100 nm zur UV-Blockung in kosmetischen und anderen Produkten eingesetzt. Die UV-Blockung basiert auf Absorption, Reflexion und Streuung der Strahlung durch diese Nanopartikel. UVB (290 - 320 nm) UVA (320 - 400 nm)- Strahlung wird hierbei stärker gestreut als die Strahlung im sichtbaren Bereich. Somit kann in Sonnenschutzprodukten die Haut vor Sonnenbrand geschützt werden.No. 5,981,412 describes a bioactive bioceramic for medical applications with the crystalline phase Na 2 O 2 CaO 3 SiO 2 . The crystallite size is 13 μm. The ceramization takes place with tempering steps for nucleation and crystallization. The focus is on the mechanical properties such as K 1c . The proportion of crystal phases is between 34 and 60% by volume. Nanoparticles such as Ti0 2 or ZnO are used with particle sizes of approx. 20 - 100 nm for UV blocking in cosmetic and other products. UV blocking is based on absorption, reflection and scattering of the radiation by these nanoparticles. UVB (290 - 320 nm) UVA (320 - 400 nm) radiation is scattered more than the radiation in the visible range. Thus, the skin in sun protection products can be protected from sunburn.
TiO2 , insbesondere in der kristallinen Form Anatase ist allerdings auch photokatalytisch wirksam. Durch die Absorption von Photonen werden Elektron-- Loch-Paare erzeugt, die mit Molekülen der TiO2 -Partikel-Oberfläche oder- Umgebung reagieren können. Hierbei können unter anderem Radikale entstehen, die schädigende Wirkungen auf lebende Organismen haben können. Um solche negativen Effekte zu vermeiden, werden insbesondere für kosmetische Anwendungen TiO2 -Nanopartikel derzeit mit SiO2 oder AI2O3 beschichtet.However, TiO 2 , in particular in the crystalline form anatase, is also photocatalytically active. The absorption of photons creates electron-hole pairs that can react with molecules on the TiO 2 particle surface or environment. Among other things, radicals can develop here, which can have damaging effects on living organisms. In order to avoid such negative effects, TiO 2 nanoparticles are currently coated with SiO 2 or Al 2 O 3 , especially for cosmetic applications.
Insbesondere können TiO2 -Nanopartikel, falls sie in menschliche Zellen gelangen, zu DNA-Schäden führen. Die Haut stellt für Nanopartikel keine Barriere dar, da sie auch durch die Haut penetrieren können. Um die schädigende Wirkung der Nanopartikel zu minimieren, können gemäß der WO 99/60994 Ti02-In particular, TiO 2 nanoparticles, if they get into human cells, can lead to DNA damage. The skin is not a barrier for nanoparticles, since they can also penetrate through the skin. To minimize the damaging effect of the nanoparticles, according to WO 99/60994 Ti0 2 -
Nanopartikel mit Fängerionen, die eine Bildung von Radikalen an der Nanopartikeloberfläche durch Elektron-Loch-Abfang verhindern, versehen werden.Nanoparticles are provided with capture ions which prevent the formation of radicals on the nanoparticle surface by electron hole interception.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und ein anorganisches Material zur Verfügung zu stellen, das neben antimikrobiellen, entzündungshemmenden und hautregenerienden Eigenschaften auch Licht, insbesondere UV-Strahlung, aber auch Strahlung im sichtbaren Bereich absorbiert, reflektiert und streut, wobei Radikalbildung unter UV- Bestrahlung vermieden werden soll und eine Migration der Nanopartikel im Körpergewebe verhindert werden kann.
Die Aufgabe wird durch Verwendung des Keramik-Glas-Komposit gemäß Anspruch 1 gelöst.The object of the invention is to avoid the disadvantages of the prior art and to provide an inorganic material which, in addition to antimicrobial, anti-inflammatory and skin-regenerating properties, also absorbs, reflects and scatters light, in particular UV radiation, but also radiation in the visible range , radical formation under UV radiation should be avoided and migration of the nanoparticles in the body tissue can be prevented. The object is achieved by using the ceramic-glass composite according to claim 1.
Der Keramik-Glas-Komposit besteht aus unterschiedlichen Phasen. Diese sind eine Glas- oder Glaskeramikphase sowie Nanokristalle. Die Nanokristalle befinden sich hierbei auf bzw. in der Oberfläche der größeren Glas- bzw. Glaskeramikpartikel.The ceramic-glass composite consists of different phases. These are a glass or glass ceramic phase as well as nanocrystals. The nanocrystals are located on or in the surface of the larger glass or glass ceramic particles.
Die Nanopulver haben Partikelgrößen mit d50-Werten < 500 nm, bevorzugt < 200 nm, noch bevorzugter < 100 nm, am bevorzugsten < 50 nm. Hierbei kann allerdings die Primärpartikelgröße bei deutlich niedrigeren Werten liegen.The nanopowders have particle sizes with d50 values <500 nm, preferably <200 nm, more preferably <100 nm, most preferably <50 nm. However, the primary particle size can be significantly lower.
Die Glas- bzw. Glaskeramikphasen, die an bzw. in der Oberfläche diese Nanopartikel enthalten, liegen bevorzugt in Pulverform mit Partikelgrößen mit d50 < 100 μm, bevorzugt < 50 μm, noch bevorzugter < 10 μm vor.The glass or glass ceramic phases which contain these nanoparticles on or in the surface are preferably in powder form with particle sizes with d50 <100 μm, preferably <50 μm, more preferably <10 μm.
Noch bevorzugter sind die Partikelgrößen der Glaspulver < 5 μm, bevorzugt < 2 μm, in besonderen Fällen < 1 μm.The particle sizes of the glass powders are even more preferably <5 μm, preferably <2 μm, in special cases <1 μm.
Liegt ein Glaskeramikpulver vor, so weisen die Kristalle der Glaskeramik Kristallitgrößen (d50) < 10 μm, bevorzugt < 1 μm, insbesondere bevorzugt < 500 nm, bevorzugt < 100 nm, in besonderen Fällen < 50 nm auf.If a glass ceramic powder is present, the crystals of the glass ceramic have crystallite sizes (d50) <10 μm, preferably <1 μm, particularly preferably <500 nm, preferably <100 nm, in special cases <50 nm.
Das Keramik-Glas-Kompositmaterial der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Nanopartikel fest an die Oberfläche von größeren Glaspartikeln. Hierbei können die Nanopartikel von einer glasigen Schicht überzogen sein, die eine leichte Reaktion der Nanopartikel mit der Umgebung verhindert bzw. unterdrückt.The ceramic-glass composite material of the invention is characterized in that the nanoparticles firmly on the surface of larger glass particles. The nanoparticles can be coated with a glassy layer that prevents or suppresses a slight reaction of the nanoparticles with the environment.
Die chemische Beständigkeit des Glases bzw. der Glaskeramik ist bevorzugt so hoch, daß in kosmetischen Formulierungen das Glas sich nicht komplett auflöst und somit die mit Glas überzogenen Nanopartikel beschichtet bleiben.
Die chemische Zusammensetzung des Glases bewirkt antimikrobielle, entzündungshemmende und hautpflegende Eigenschaften.The chemical resistance of the glass or of the glass ceramic is preferably so high that the glass does not completely dissolve in cosmetic formulations and the nanoparticles coated with glass thus remain coated. The chemical composition of the glass has antimicrobial, anti-inflammatory and skin-care properties.
Weiterhin kann das Material gegenüber Bakterien, Pilzen sowie Viren eine biozide, auf jeden Fall eine biostatische Wirkung zeigen, im Kontakt mit dem Menschen jedoch hautverträglich und toxikologisch unbedenklich sein.Furthermore, the material can have a biocidal, in any case a biostatic effect against bacteria, fungi and viruses, but can be skin-friendly and toxicologically harmless in contact with humans.
Für bestimmte Anwendungen werden besondere Anforderungen an die Reinheit des Pulvers gestellt, damit die toxikologische Unbedenklichkeit des Glaspulvers gewährleistet ist.For certain applications, special requirements are placed on the purity of the powder, so that the toxicological harmlessness of the glass powder is guaranteed.
Die Belastung durch Schwermetalle sollte hierfür möglichst gering sein. Erstrebenswerte Maximalkonzentrationen im Bereich kosmetischer Produkte sind zum Beispiel Pb < 20 ppm, Cd < 5 ppm, As < 5 ppm, Sb < 10 ppm, Hg < 1 ppm, Ni < 10 ppm.The exposure to heavy metals should be as low as possible. Desirable maximum concentrations in the area of cosmetic products are, for example, Pb <20 ppm, Cd <5 ppm, As <5 ppm, Sb <10 ppm, Hg <1 ppm, Ni <10 ppm.
Bevorzugt weisen das Glas bzw. das Ausgangsglas der Glaskeramik die nachfolgenden Komponenten auf:The glass or the starting glass of the glass ceramic preferably have the following components:
SiO2 als Netzwerkbildner zwischen 30 - 70 Gew.%. Bei niedrigen Konzentrationen nimmt die spontane Kristallisationsneigung stark zu und die chemische Beständigkeit stark ab. Bei höheren SiO2-Werten kann die Kristallisationsstabilität abnehmen und die Verarbeitungstemperatur wird deutlich erhöht, so daß sich die Heißformgebungseigenschaften verschlechtern. Si02 ist außerdem Bestandteil der bei einer Keramisierung entstehenden kristallinen Phasen.SiO 2 as a network builder between 30-70% by weight. At low concentrations, the spontaneous tendency to crystallize increases sharply and the chemical resistance strongly decreases. At higher SiO 2 values, the crystallization stability can decrease and the processing temperature is increased significantly, so that the hot forming properties deteriorate. Si0 2 is also a component of the crystalline phases formed during a ceramization.
Na2O wird als Flußmittel beim Schmelzen des Glases eingesetzt. Bei Konzentrationen < 5 % wird das Schmelzverhalten negativ beeinflußt. Natrium ist Bestandteil der sich bei der Keramisierung bildenden Phasen. Natrium wird u. a. über lonenaustausch in wäßrigen Medien vom Pulver abgegeben.
K2O wirkt als Flußmittel beim Schmelzen des Glases. Außerdem wird Kalium in wäßrigen Systemen u.a. durch lonenaustausch abgegeben.Na 2 O is used as a flux when melting the glass. At concentrations <5%, the melting behavior is negatively affected. Sodium is part of the phases that form during ceramization. Sodium is released from the powder, inter alia, by ion exchange in aqueous media. K 2 O acts as a flux when melting the glass. In addition, potassium is released in aqueous systems inter alia by ion exchange.
Über den P205-Gehalt wird die chemische Beständigkeit des Glases und damit die lonenabgabe in wäßrigen Medien eingestellt. Der P205-Gehalt liegt zwischen 0 und 10 Gew.%. Bei höheren P2O5-Werten wird die hydrolytische Beständigkeit der Glaskeramik zu gering.The chemical resistance of the glass and thus the release of ions in aqueous media is adjusted via the P 2 0 5 content. The P 2 0 5 content is between 0 and 10% by weight. At higher P 2 O 5 values, the hydrolytic resistance of the glass ceramic becomes too low.
Um die Schmelzbarkeit zu verbessern, kann das Glas bis zu 5 Gew.% B2O3 enthalten.To improve the meltability, the glass can contain up to 5% by weight of B 2 O 3 .
Die Menge an AI2O3 sollte < 15 Gew.% sein, um eine für die Produktion hinreichende Kristallisationsstabilität des Glases zu gewährleisten. Für Gläser von Glaskeramiken mit verstärkenden antimikrobiellen und entzündungshemmenden hautpflegenden Eigenschaften sollte AI2O3 < 5, Gew.-% bevorzugt < 2 Gew. -%, besonders bevorzugt < 1Gew. -% sein.The amount of Al 2 O 3 should be <15% by weight in order to ensure sufficient crystallization stability of the glass for production. For glasses of glass ceramics with reinforcing antimicrobial and anti-inflammatory skin-care properties, Al 2 O 3 should be <5% by weight, preferably <2% by weight, particularly preferably <1% by weight. -% his.
Zur Verstärkung der antibakteriellen Eigenschaften der Glaskeramik können antibakteriell wirkende Ionen wie z.B. Ag, Au, l, Ce, Cu, Zn in Konzentrationen < 5 Gew.% enthalten sein. Die Konzentration dieser Ionen Hegt < 5 Gew., insbesondere < 2 Gew. - % in Summe.To increase the antibacterial properties of the glass ceramic, antibacterial ions such as e.g. Ag, Au, 1, Ce, Cu, Zn can be contained in concentrations of <5% by weight. The concentration of these ions is <5% by weight, in particular <2% by weight in total.
Weiterhin können Ionen wie Ag, Cu, Au, Li zur Einstellung der Hochtemperaturleitfähigkeit der Schmelze und damit zur verbesserten Schmelzbarkeit mit HF-Schmelzverfahren als Zusätze enthalten sein.Ions such as Ag, Cu, Au, Li can also be included as additives to adjust the high-temperature conductivity of the melt and thus to improve the meltability with HF melting processes.
Farbgebende Ionen wie z.B. Fe, Co, V, Cu, Cr können einzeln oder kombiniert in einer Gesamtkonzentration < 1 Gew.% gezielt zudotiert werden.
Durch Einbringen von Oxiden wie zum Beispiel TiO2 und CeO, die auch im UV- Bereich absorbierend wirken, in das Grundglas, kann eine effektive Blockung der UV-Strahlung erreicht werden, wobei durch Zugabe unterschiedlicher Gehalte die UV-Kante definiert eingestellt werden kann. Die Konzentration dieser Oxide liegt in Summe < 5 Gew.%, bevorzugt < 2 Gew.%, noch bevorzugter < 1 Gew.%.Coloring ions such as Fe, Co, V, Cu, Cr can be added individually or in combination in a total concentration of <1% by weight. By introducing oxides such as TiO 2 and CeO, which also have an absorbing effect in the UV range, into the base glass, effective blocking of the UV radiation can be achieved, the UV edge being able to be set in a defined manner by adding different contents. The total concentration of these oxides is <5% by weight, preferably <2% by weight, more preferably <1% by weight.
Das Glas kann Ionen wie Ce, Mn, Ag, Au, Cu, Zn, Fe enthalten, die als Elektronfänger agieren können. Hierdurch kann eine Radikalbildung durch die von Ti02 bei UV-Bestrahlung generierten Elektron-Loch-Paare unterdrückt werden.The glass can contain ions such as Ce, Mn, Ag, Au, Cu, Zn, Fe, which can act as electron scavengers. In this way, radical formation can be suppressed by the electron-hole pairs generated by Ti0 2 under UV radiation.
Bestimmte Ionen können somit eine Doppelfunktion ausüben. Sie verstärken zum einen die antimikrobielle Wirkung synergistisch und können außerdem durch Redoxreaktionen freie Elektronen, die zu Radikalbildung führen könnten, abfangen. Die Konzentration der Elemente liegt < 2 Gew. - %, insbesondere < 1 Gew. - %, besonders bevorzugt < 0,1 Gew. - %Certain ions can therefore have a dual function. On the one hand, they reinforce the antimicrobial effect synergistically and can also trap free electrons through redox reactions, which could lead to radical formation. The concentration of the elements is <2% by weight, in particular <1% by weight, particularly preferably <0.1% by weight
Das Glas wird mit herkömmlichen Schmelztechnologien oder mit Hochfrequenzverfahren erschmolzen und zu Blockglas oder sogenannten „Ribbons" geformt. Das Glas bzw. das Ausgangsglas der Glaskeramik kann in einer bevorzugten Ausführungsform zu Pulver gemahlen werden. Die Partikelgröße dieser Pulver ist bevorzugt < 100 μm, besonders bevorzugt < 50 μm, insbesondere < 10 μm, insbesondere < 5 μm, besonders < 1 μm. Hierzu können sowohl trockene als auch „nasse" Mahltechnologie eingesetzt werden. Im Falle von „nassen" Mahlungen können die Pulver anschließend getrocknet werden.The glass is melted using conventional melting technologies or high-frequency processes and shaped into block glass or so-called “ribbons”. In a preferred embodiment, the glass or the starting glass of the glass ceramic can be ground to powder. The particle size of these powders is preferably <100 μm, particularly preferred <50 μm, in particular <10 μm, in particular <5 μm, in particular <1 μm. Both dry and “wet” grinding technology can be used for this. In the case of "wet" grinding, the powders can then be dried.
In einem zweiten Schritt können die Glaspulver mit den Nanopulvern vermischt werden. Dies kann trocken geschehen oder die Nanopulver werden als Dispersion den trockenen oder „nassen" Glaspulvern zugegeben. Eine alternative Produktionsroute besteht darin, die Nanopartikel bereits beim ersten Mahlvorgang dem Glas zuzusetzen.
Nach dem Mischvorgang befinden sich die Nanopartikel auf der Oberfläche der Glaspulver. Wurden die Nanopulver in Dispersionsform zugegeben, kann eine Trocknung notwendig sein. Die Mischung wird im Ofen versintert. Hierbei verbinden sich die Nanopulver mit den Glaspulvern. Durch Oberflächendiffusionsvorgänge werden die Nanopartikel während der Sinterung mit Glas überzogen. Hierdurch erfolgt eine Kapselung der Nanopartikel gegenüber der Umgebung. Die chemische Beständigkeit dieser Glaskapselung ist so hoch, daß in kosmetischen Formulierungen eine Oberflächen reaktion des Ti02 mit der Umgebung unterdrückt wird.In a second step, the glass powders can be mixed with the nanopowders. This can be done dry or the nanopowders are added as a dispersion to the dry or "wet" glass powders. An alternative production route is to add the nanoparticles to the glass during the first grinding process. After the mixing process, the nanoparticles are on the surface of the glass powder. If the nanopowders have been added in dispersion form, drying may be necessary. The mixture is sintered in the oven. The nanopowders combine with the glass powders. Surface diffusion processes coat the nanoparticles with glass during sintering. As a result, the nanoparticles are encapsulated from the environment. The chemical resistance of this glass encapsulation is so high that a surface reaction of the Ti0 2 with the environment is suppressed in cosmetic formulations.
Die Sintertemperaturen für viskoses Sintern liegen oberhalb Tg des Ausgangsglases, und zwar bevorzugtThe sintering temperatures for viscous sintering are above T g of the starting glass, preferably
mehr als 0° C bis 500° C oberhalb Tg, besonders bevorzugt mehr als 20° C bis 200° C oberhalb Tg, insbesondere bevorzugt mehr als 50° C bis 100° C.oberhalb Tg.more than 0 ° C to 500 ° C above T g , particularly preferably more than 20 ° C to 200 ° C above T g , particularly preferably more than 50 ° C to 100 ° C above T g .
Außerdem kann die Sinterung auch unterhalb Tg erfolgen, dies wird als sogenanntes diffusionsgesteuertes Festkörpersintern bezeichnet. Die Temperaturen liegen hierbei bevorzugt 200° C bis 0° C unterhalb Tg, insbesondere 100° C bis 10° C unterhalb Tg. Bei dieser Niedertemperatursinterung können durch vermindertes Zusammensintern die Mahlzeit sowie der Energieeinsatz vermindert werden.In addition, the sintering can also take place below T g , this is referred to as so-called diffusion-controlled solid-state sintering. The temperatures here are preferably 200 ° C. to 0 ° C. below T g , in particular 100 ° C. to 10 ° C. below T g . With this low-temperature sintering, the meal and energy consumption can be reduced by reduced sintering together.
Je nach Glastyp setzt bei genügend hohen Temperaturen eine Keramisierung des Glases ein. Hierbei können als Hauptphasen u.a. Alkali-Erdalkali-Silicate wie zum Beispiel Natrium-Calcium-Silicate, Erdalkali-Silicate wie zum Beispiel Calcium- Silikat gebildet werden.Depending on the type of glass, the glass is ceramized at sufficiently high temperatures. The main phases here include Alkali-alkaline earth silicates such as sodium calcium silicates, alkaline earth silicates such as calcium silicate are formed.
Die Sinterung kann auch in einem mehrstufigen Temperatur-Zeit-Programm durchgeführt werden, um beispielsweise gezielt eine Verschmelzung der
Nanopartikel mit dem Glas und möglichst gesteuert davon eine Keramisierung des Glases durchzuführen.The sintering can also be carried out in a multi-stage temperature-time program, for example in order to specifically fuse the Nanoparticles with the glass and, if possible, controlled to carry out a ceramicization of the glass.
Je nach Temperaturführung kann ein unterschiedlicher Verschmelzungsgrad und Kapselungsgrad der Nanopartikel mit der Glasoberfläche erreicht werden.Depending on the temperature control, a different degree of fusion and degree of encapsulation of the nanoparticles with the glass surface can be achieved.
Nach dem Sintervorgang werden die Pulver nochmals zur Einstellung der endgültigen Partikelgröße aufgemahlen.After the sintering process, the powders are ground again to adjust the final particle size.
Der Sintervorgang kann so geführt werden, daß es zu einer Keramisierung der Glasphase kommen kann. Durch Keramisierung des Grundglases mit definierter Kristallitgröße können die zusätzlichen Streu- bzw. Reflexionseffekte eingestellt werden. Hierbei können die Effekte durch Prozeßparameter wie beispielsweise durch das Temperatur-Zeit-Profil des Prozesses, aber auch durch die zugegebene Menge an Kristallbildner gesteuert werden.The sintering process can be carried out in such a way that the glass phase can be ceramized. The additional scattering or reflection effects can be set by ceramizing the base glass with a defined crystallite size. The effects can be controlled by process parameters such as the temperature-time profile of the process, but also by the amount of crystal former added.
Das Kompositmaterial wird üblicherweise als Pulver eingesetzt, wobei durch einen letzten Mahlprozeß Partikelgrößen < 100 μm erhalten werden. Als zweckmäßig haben sich Partikelgrößen < 50 μm bzw. < 20 μm erwiesen. Besonders geeignet sind Partikelgrößen < 10 μm sowie kleiner 5 μm. Als ganz besonders geeignet haben sich Partikelgrößen < 1 μm herausgestellt. Der Mahlprozeß kann sowohl trocken als auch mit wäßrigen und nichtwäßrigen Mahlmedien durchgeführt werden.The composite material is usually used as a powder, particle sizes of <100 μm being obtained by a final grinding process. Particle sizes of <50 μm or <20 μm have proven to be expedient. Particle sizes <10 μm and smaller than 5 μm are particularly suitable. Particle sizes <1 μm have been found to be particularly suitable. The grinding process can be carried out dry as well as with aqueous and non-aqueous grinding media.
Die Gesamtmenge an Nanopartikeln im Kompositmaterial liegt < 20 Gew.%, bevorzugt < 10 Gew.%, noch bevorzugter < 5 Gew.%.The total amount of nanoparticles in the composite material is <20% by weight, preferably <10% by weight, more preferably <5% by weight.
Die lichtbeeinflussenden Effekte werden zum einen durch die Nanopartikel, die intrinisch zur Absorption und Streuung des Lichtes führen, zum anderen durch die Oberflächenmorphologie der Glas- bzw. Glaskeramikpartikel, die zu einer Streuung des Lichtes führen sowie durch Bulkcharakteristik der Glas- bzw. Glaskeramikpartikel, erreicht.
Die eingesinterten Nanopartikel können gleichzeitig als heterogene Keime für die Kristallisation der Glasphase wirken. Somit kann die Kristallisation mit den Nanopartikeln beeinflußt werden.The light-influencing effects are achieved on the one hand by the nanoparticles, which lead intrinsically to the absorption and scattering of the light, on the other hand by the surface morphology of the glass or glass-ceramic particles, which lead to scattering of the light, and by bulk characteristics of the glass or glass-ceramic particles , The sintered nanoparticles can simultaneously act as heterogeneous nuclei for the crystallization of the glass phase. The crystallization with the nanoparticles can thus be influenced.
Die Kombination der Nanopartikel mit biologisch aktivem Glas führt zu einem UV- Blocker mit positiven Hauteigenschaften. Die Nachteile der Nanopartikel können nicht kompensiert, sondern überkompensiert werden.The combination of the nanoparticles with biologically active glass leads to a UV blocker with positive skin properties. The disadvantages of nanoparticles cannot be compensated for, but overcompensated.
Weiterhin führt die Belegung der Glaspartikel mit Nanopulvern zu zusätzlichen lichtstreuenden Effekten, die bei den reinen Glas- bzw. Glaskeramikpulvern nicht beobachtet werden und auf die veränderte Oberflächenmorphologie zurückzuführen sind.Furthermore, the coating of the glass particles with nanopowders leads to additional light-scattering effects which are not observed in the pure glass or glass ceramic powders and which can be attributed to the changed surface morphology.
Die Pulver sind hervorragend geeignet, um im Bereich der kosmetischen Produkte eingesetzt zu werden. Dies können u.a. Produkte im Bereich Farbkosmetik oder UV-Schutzprodukte sein.The powders are ideally suited to be used in the field of cosmetic products. This can include Products in the field of color cosmetics or UV protection products.
Weitere Anwendungsfelder liegen zum Beispiel im Bereich Lichtschutz, auf dem Gebiet Farben und Lacke sowie bei medizinischen Produkten und im Bereich der Polymere.Further fields of application are, for example, in the area of light protection, in the field of paints and varnishes, as well as in medical products and in the field of polymers.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele und der Figuren beispielhaft beschrieben werden.The invention will be described below by way of example using the exemplary embodiments and the figures.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 Weitwinkelröntgendiagramm einer Probe mit einem Basisglas gemäßFig. 1 wide-angle X-ray diagram of a sample with a base glass according to
Ausführungsbeispiel 1 sowie darauf aufgesinterten TiO2 (Rutil) NanopartikelnEmbodiment 1 and TiO 2 (rutile) nanoparticles sintered thereon
Fig. 2 REM-Aufnahme eines Basisglases gemäß Ausführungsbeispiel 1 ohne aufgesinterte TiO2 - Nanopartikeln
Fig. 3 - 5 REM-Aufnahmen eines Basisglases gemäß Ausführungsbeispiel 1 mit 5 Gew. - % Ti02 - Nanopartikeln aufgesintert bei 560°C für eineFig. 2 SEM image of a base glass according to embodiment 1 without sintered TiO 2 nanoparticles 3 - 5 SEM images of a basic glass according to embodiment 1 with 5% by weight of TiO 2 nanoparticles sintered at 560 ° C. for one
Stunde Fig. 6 TEM-Aufnahme eines Basisglases gemäß Ausführungsbeispiel 1 mitHour Fig. 6 TEM image of a base glass according to embodiment 1 with
5 Gew. - % TiO2 Nanopartikeln aufgesintert bei 560°C für eine5% by weight of TiO 2 nanoparticles sintered at 560 ° C for one
Stundehour
Zunächst wird aus dem in Tabelle 1 angegebenen Rohstoffen ein Basisglas erschmolzen, das anschließend zu Glasbändern, die auch als Ribbon bezeichnet werden, geformt wurde. Diese Ribbons wurden mittels Trockenmahlung zu Pulver mit einer Partikelgröße d50 = 4 μm weiterverarbeitet.First, a base glass is melted from the raw materials specified in Table 1, which was then formed into glass ribbons, which are also referred to as ribbons. These ribbons were further processed into powder with a particle size d50 = 4 μm by means of dry grinding.
Tabelle 1 : Zusammensetzungen in Gew.% der BasisgläserTable 1: Compositions in% by weight of the base glasses
Das 4 μm-Glaspulver vom Typ 1 wurde in einer Trommelmühle mit 5 Gew.-% TiO2 -Nanopulver mit einer Sekundär-Partikelgröße von ungefähr 100 nm trocken gemischt. The 4 μm glass powder of type 1 was dry-mixed in a drum mill with 5% by weight of TiO 2 nanopowder with a secondary particle size of approximately 100 nm.
Die Pulvermischung wurde anschließend in einem Kammerofen bei 580° C 2 Stunden gesintert. Das gesinterte Pulver wurde danach in einer Trommelmühle erneut kurz aufgemahlen, so daß eine Partikelgröße von ca. 5 μm eingestellt wurde.The powder mixture was then sintered in a chamber furnace at 580 ° C. for 2 hours. The sintered powder was then briefly ground again in a drum mill, so that a particle size of approximately 5 μm was set.
Unter diesen Sinterbedingungen sind noch keine kristallinen Sekundärphasen mit wesentlichem Phasenanteil mittels Röntgenbeugungs-Diagramm nachzuweisen.Under these sintering conditions, no crystalline secondary phases with a significant phase fraction can be detected using an X-ray diffraction diagram.
Die Nanopulver sind fest in die Oberfläche der Glaspulver eingesintert und mit einer glasigen Phase weitgehend vollständig überzogen. Dies konnte anhand von REM und TEM nachgewiesen werden.The nanopowders are firmly sintered into the surface of the glass powder and largely completely coated with a glassy phase. This could be demonstrated using SEM and TEM.
Die antimikrobielle Wirkung des Pulvers wurde nach Europ. Pharamkopoe (3. Auflage) getestet und ist in Tabelle 2 wiedergegeben.The antimicrobial effect of the powder was according to Europ. Pharamkopoe (3rd edition) tested and is shown in Table 2.
Tabelle 2: Antimikrobielle WirkungTable 2: Antimicrobial effect
Es wurden Hautverträglichkeitstests einer DAC-Creme-Formulierung mit 5 Gew.% und 10 Gew.% durchgeführt. Es konnten keinerlei Hautirritationen beobachtet werden. Skin tolerance tests of a DAC cream formulation with 5% by weight and 10% by weight were carried out. No skin irritation was observed.
Fig. 1 zeigt ein Röntgendiagramm eines Basisglases gemäß Ausführungsbeispiel 1 mit aufgesinterten TiO2 auf (Rutil) - Nanopartikeln. Die Sinterung erfolgte bei 560°C für eine Stunde. Deutlich zu erkennen aus dem Röntgendiagramm ist die amorphe Struktur des Basisglases sowie die kristalline Struktur der aufgesinterten Ti02 - Partikel. Die Röntgenreflexe der aufgesinterteten TiO2 - Partikel sind mit der Bezugsziffer 1 belegt.1 shows an X-ray diagram of a base glass according to embodiment 1 with sintered TiO 2 on (rutile) nanoparticles. Sintering took place at 560 ° C for one hour. The x-ray diagram clearly shows the amorphous structure of the base glass and the crystalline structure of the sintered Ti0 2 particles. The X-ray reflections of the sintered TiO 2 particles are given the reference number 1.
Fig. 2 zeigt eine REM-Aufnahme eines Basisglases gemäß Ausführungsbeispieles 1 ohne aufgesinterte Nanopartikel. Das Glaspulver wurde bei 560°C für eine Stunde gesintert. Erkennbar ist eine glatte Oberfläche ohne aufgesinterte Nanopartikel.2 shows an SEM image of a base glass according to embodiment 1 without sintered nanoparticles. The glass powder was sintered at 560 ° C for one hour. A smooth surface without sintered nanoparticles can be seen.
Die Figuren 3 - 5 zeigen ein Basisglas gemäß Ausführungsbeispiel 1 mit 5 Gew. - % Ti02 - Nanopartikeln (Rutil). Diese Zusammensetzung wurde, ebenso wie die Vergleichsprobe, deren Oberfläche in Fig. 2 gezeigt ist, bei 560°C für eine Stunde gesintert. Im Gegensatz zu der in Fig. 2 gezeigten Vergleichsprobe ist die Oberfläche nicht mehr glatt . In Fig. 3 deutlich zu erkennen der feste Verbund zwischen den einzelnen Nanopartikeln, vorliegend dem Rutil und dem Basisglaspulver. Auf den Figuren 4 und 5 ist der feste Verbund zwischen den Nanopartikeln und dem Basisglaspulver ebenfalls gut zu erkennen. Bei der Probenzusammensetzung handelt es sich um dieselbe Probe wie bei REM- Aufnahme gemäß Fig. 3.FIGS. 3-5 show a base glass according to embodiment 1 with 5% by weight of TiO 2 nanoparticles (rutile). This composition, like the comparative sample whose surface is shown in FIG. 2, was sintered at 560 ° C. for one hour. In contrast to the comparison sample shown in FIG. 2, the surface is no longer smooth. The solid bond between the individual nanoparticles, in this case the rutile and the base glass powder, can be clearly seen in FIG. 3. The solid bond between the nanoparticles and the base glass powder can also be clearly seen in FIGS. 4 and 5. The sample composition is the same sample as in the SEM image according to FIG. 3.
Fig. 6 zeigt eine Transmissionselektronenmikroskopie TEM-Aufnahme eines Basisglases gemäß Ausführungsbeispiel 1 mit 5 Gew. - % Ti02 Nanopartikeln gesintert bei 560°C für eine Stunde. Erkennbar auf dieser TEM-Aufnahme ist,
dass, die mit der Bezugsziffer 10 bezeichneten Ti02 (Rutil) Nanopartikel von einer glasigen Phase, die mit der Bezugsziffer 20 belegt ist, umgeben ist.6 shows a transmission electron microscopy TEM image of a base glass according to embodiment 1 with 5% by weight of TiO 2 nanoparticles sintered at 560 ° C. for one hour. It can be seen on this TEM image that the Ti0 2 (rutile) nanoparticles designated by the reference number 10 is surrounded by a glassy phase which is given the reference number 20.
Die antimikrobiell entzündungshemmenden UV-Strahlung reduzierenden Glas- Keramik-Kompositmaterialien können in Pulverform bevorzugt als Zusatz in der kosmetischen Industrie, zum Beispiel in Sonnenschutzcremes und Tagescremes sowie Cremes gegen Hautalterung, eingesetzt werden.The antimicrobial anti-inflammatory UV-radiation-reducing glass-ceramic composite materials can preferably be used in powder form as an additive in the cosmetic industry, for example in sun protection creams and day creams and creams against skin aging.
Die Erfindung stellt erstmals ein Material zur Verfügung, in dem unterschiedliche Eigenschaften in einem Material kombiniert sind. Durch die Belegung des TiO2 mit einer antimikrobiellen, entzündungshemmenden und hautregenerienden Schicht wird ein Schutz vor Radikalbildung erreicht. Dies geschieht insbesondere dadurch, daß die Nanopartikel an Glas gebunden werden und somit keinerlei Hautpenetration auftreten kann. Das Material weist in Pulverform besondere lichtstreuende absorbierende reflektierende Eigenschaften aufgrund von Oberflächenmodifikation auf.
For the first time, the invention provides a material in which different properties are combined in one material. Protection of the radical formation is achieved by coating the TiO 2 with an antimicrobial, anti-inflammatory and skin-regenerating layer. This happens in particular because the nanoparticles are bound to glass and thus no skin penetration can occur. In powder form, the material has special light-scattering, absorbing, reflective properties due to surface modification.