АзовСинтезОксид цинку (цинкові білила): для чого, у фарбах, гумі та косметиці
Оксид цинку продають під старою назвою цинкові білила, але білий пігмент це чи не остання причина, чому його беруть тоннами. Понад половина світового ZnO іде в гуму, де він взагалі не про колір, а про хімію вулканізації. Помітна частка в косметику, де він працює екраном проти ультрафіолету. І тільки менша частина потрапляє власне у фарбу. Одна речовина з формулою простішою нікуди закриває чотири різні виробничі задачі, і в кожній працює своя властивість.
Ми возимо оксид цинку марки USP чистотою 99,9% у мішках по 25 кг. Далі розберу, за що його купують у кожній галузі, чим марка для косметики відрізняється від тієї, що піде в гуму, і на які рядки паспорта дивитися перед закупівлею.
Що таке оксид цинку і звідки назва «цинкові білила»
Оксид цинку (ZnO, CAS 1314-13-2) це неорганічна сполука цинку з киснем, білий дрібнодисперсний порошок, практично нерозчинний у воді. Історичні й торгові назви: цинкові білила, окис цинку, цинкове біле. Фармакопейні марки містять не менше 99,0% ZnO. Речовина амфотерна, реагує і з кислотами, і з лугами, тому в різних середовищах поводиться по-різному.
Назва «білила» лишилася з малярства позаминулого століття, коли ZnO почали заміняти отруйні свинцеві білила: він давав чистий тон і не темнів від сірководню. Хімічно це проста сполука, ZnO, але поводиться вона не пасивно. Оксид цинку реагує з кислотами й лугами, і саме ця активність робить його придатним відразу для кількох ролей, які на перший погляд не мають нічого спільного.
У воді він не розчиняється, тож у мазі, фарбі чи гумовій суміші лишається твердими частинками. Розмір цих частинок і чистота порошку вирішують, куди марка піде: у крем під підгузник чи в сіру технічну гуму.
Одна речовина, чотири різні роботи
Плутанина навколо оксиду цинку починається з того, що продавці описують його однаково для всіх галузей: «білий пігмент, антисептик, стабілізатор». Насправді в кожній сфері працює окремий механізм.
У гумі це хімія: ZnO вмикає реакцію зшивання каучуку. У косметиці оптика: частинки розсіюють і поглинають ультрафіолет. У дерматології іони: цинк зв'язує білки на поверхні шкіри. У фарбах відразу кілька дрібних ефектів, і жоден з них не про укривистість. Ось як це виглядає в цифрах.
| Галузь | Що робить ZnO | Дозування | Ключова властивість |
|---|---|---|---|
| Гума, РТВ, шини | активатор сірчаної вулканізації | 3–5 phr | хімічна активність цинку |
| Косметика | фізичний UV-фільтр | 10–25% | розсіювання ультрафіолету |
| Фарма, дерматологія | в'яжуче, підсушувальне, антисептик | 10–40% | іони цинку на шкірі |
| Фарби, ґрунтовки | фунгіцид, UV-захист, нейтралізація кислот | 2–10% | хімічна активність, не колір |
| Кераміка, скло | плавень глазурі | 5–10% | зниження в'язкості розплаву |
Оксид цинку в гумі: головний активатор вулканізації
У гумі оксид цинку це активатор сірчаної вулканізації, а не наповнювач. ZnO реагує зі стеариновою кислотою й дає розчинний у каучуку стеарат цинку; іони цинку зв'язуються з прискорювачем (тіазоли, сульфенаміди) і різко пришвидшують зшивання ланцюгів сіркою. Типове дозування за рецептурами гуми 3–5 phr у парі зі стеариновою кислотою, масове співвідношення ZnO до кислоти близько 5:1. Без активатора вулканізація йде неповно й нерівномірно.
Це найбільший ринок оксиду цинку: гума й шини забирають понад половину світового споживання. Механізм такий. Спершу ZnO реагує зі стеариновою кислотою, утворює стеарат цинку і вивільняє воду. Стеарат цинку розчинний у вуглеводневому каучуку, тому цинк перестає бути твердою частинкою й переходить у робочу форму. Далі іони цинку входять у комплекс із прискорювачем, і той починає працювати на повну: сірчані містки між ланцюгами утворюються швидко й рівномірно.
Приберіть оксид цинку з рецептури, і прискорювач лишиться напівживим. Тіазоли й сульфенаміди без цинку працюють упівсили, вулканізація розтягується, а місцями йде плямами. Тому в базовій рецептурі поряд із каучуком, наповнювачем і сіркою майже завжди стоять близько 5 частин ZnO і одна частина стеаринової кислоти.
Останніми роками виробники шин намагаються цю дозу зменшити. Причина не в грошах, а в екології: оксид цинку класифікований як дуже токсичний для водних організмів (H400, H410 за CLP), і цинк вимивається з протектора під час експлуатації. Дослідження зниження ZnO у сірчаній вулканізації (робота Гайдемана, Університет Твенте) і пілотні розробки нано-активаторів на кремнеземі показують, що мікронний порошок 99,7% дає баланс уже при 3 phr, а нано-грейди опускають дозу до 1–2 phr. Для звичайної технічної гуми стандартом лишаються ті самі 3–5 phr, і тут добре працює наша марка з питомою поверхнею 4,8 м²/г.
Оксид цинку у фарбах: не заради білизни
У фарбах оксид цинку беруть не як укривистий пігмент. Його показник заломлення 2,02 проти 2,70 у діоксиду титану, тому за укривистістю й барвною силою ZnO помітно програє титановим білилам і не заміняє їх. Реальні причини це фунгіцидний ефект, поглинання ультрафіолету, що захищає плівку, і нейтралізація кислот, які утворюються при старінні покриття. Тому ZnO частіше йде в ґрунтовки й фасадні фарби, а не в укривні емалі.
Це той рядок, де опис товару на багатьох сайтах відверто вводить в оману. «Білий пігмент з доброю укривністю» звучить логічно, поки не порівняти показники заломлення: у ZnO 2,02, у діоксиду титану 2,70. Чим більша різниця між показником частинки й зв'язуючого, тим сильніше розсіюється світло й тим краще криє пігмент. Тому титанові білила криють у рази краще, а оксид цинку в чистій укривній ролі йому програє.
За що ж його додають. По-перше, оксид цинку пригнічує плісняву, тому йде у фасадні фарби й ґрунтовки для вологих зон. По-друге, вбирає ультрафіолет і захищає і плівку, і підкладку від руйнування сонцем. По-третє, нейтралізує кислоти, що утворюються при окисленні плівки. Норму цих властивостей задає ASTM D79, стандарт саме на цинкові білила як пігмент.
Є й засторога, про яку продавці мовчать. В олійних фарбах ZnO реагує з жирними кислотами оливи й утворює цинкові мила, карбоксилати. Плівка від цього кришиться, тріскається й може відшаровуватися. Це не теорія: 28-річне дослідження Мекленбурга в Смітсонівському інституті, розголошене у 2007–2008 роках, показало, що плівки з оксидом цинку на оливі стають украй крихкими вже за три роки. У водно-дисперсійних системах ZnO згущує акрилове зв'язуюче, тому для них беруть спеціально покриті марки. Оксид цинку у фарбі це функціональна добавка з характером, а не проста біла засипка.
Оксид цинку в косметиці: мінеральний сонцезахист
В косметиці оксид цинку це фізичний UV-фільтр і єдиний безрецептурний фільтр, що сам по собі перекриває весь діапазон UVB, UVA2 і UVA1. Він розсіює й поглинає ультрафіолет, майже не вбираючись у шкіру. Дозування 10–25% під потрібний SPF. І FDA (монографія M020, 2021), і регламент ЄС дозволяють ZnO у сонцезахисних засобах до 25%.
Мінеральний санскрин будується саме на оксиді цинку, бо жоден інший безрецептурний фільтр не перекриває весь спектр ультрафіолету поодинці. Він працює фізично: частинки відбивають і розсіюють промені, а не вбирають їх у товщу шкіри. Регулятори по обидва боки Атлантики визнали ZnO безпечним до 25%: у США це монографія FDA M020, у ЄС додаток VI до регламенту 1223/2009, підпертий висновком наукового комітету SCCS.
Головна практична морока це білий слід. Великі частинки розсіюють і видиме світло, тому крем білить шкіру. Щоб слід прибрати, беруть дрібніший порошок: коли частинка стає меншою за приблизно 100 нм, вона майже перестає розсіювати видиме світло, а ультрафіолет усе одно ловить. У ЄС такий нанорозмірний ZnO маркують у складі як «Zinc Oxide (nano)», а спреї з ним заборонені, щоб людина не вдихала частинки.
Крім захисту від сонця, оксид цинку заспокоює й підсушує шкіру та діє антибактеріально, тому його кладуть у креми під підгузник, засоби від подразнень і дитячу косметику. Для всіх цих форм критична чистота: свинець, кадмій і миш'як нормуються жорстко, бо засіб лишається на шкірі годинами.
Оксид цинку у фармації та дерматології
У дерматології оксид цинку діє в'яжуче, підсушувально й антисептично. Іони цинку зв'язують білки запального ексудату в альбумінати цинку, знижують проникність судин і зменшують мокнуття; порошок вбирає вологу й пришвидшує утворення сухої кірочки. Цинкова мазь містить близько 10% ZnO, цинкова паста 25–40% на порошковій основі.
Механізм дії в аптечних формах складається з трьох частин. В'яжуча: іони цинку зв'язуються з білками ексудату, утворюють альбумінати цинку й ущільнюють поверхневий шар, через що судини менше пропускають рідину. Підсушувальна: порошок вбирає вологу й сальні виділення, зменшує мокнуття. Антисептична: цинк пригнічує ферменти бактерій, тому ранка гоїться чистіше.
Різниця між формами лише в концентрації й основі. Цинкова мазь це м'яка жирна основа з приблизно 10% ZnO. Цинкова паста густіша й щільніша, у ній 25–40% оксиду плюс порошковий наповнювач (крохмаль), тому вона тримається на місці й сильніше підсушує. З того самого порошку роблять присипки, каламіновий лосьйон (ZnO з домішкою оксиду заліза) і цинк-евгенольний стоматологічний цемент, де оксид цинку реагує з евгенолом і дає знеболювальну бактеріостатичну масу для тимчасових пломб.
Антибактеріальність оксиду цинку сьогодні добре вивчена: працюють і вивільнені іони Zn²⁺, що ушкоджують мембрану бактерії, і активні форми кисню, які утворюються на поверхні частинок під світлом. Для будь-якої з цих форм потрібна фармакопейна чистота USP або BP, і саме таку марку ми й тримаємо.
Де ще працює оксид цинку
Поза чотирма головними ролями ZnO закриває ще кілька галузей, у кожній по-своєму.
У кераміці й склі це вторинний плавень. У складі глазурі оксид цинку знижує в'язкість розплаву й коефіцієнт теплового розширення, підвищує термостійкість виробу, блиск і білизну; типова частка у фритованих глазурях 5–10%. У склі його додають для блокування ультрафіолету й корекції показника заломлення.
В агрономії оксид цинку це джерело мікроелемента для ґрунтів, бідних на цинк. Тут закупника чекає пастка: ZnO дешевший і концентрованіший за сульфат цинку, але рослині доступний гірше, особливо на карбонатних лужних ґрунтах, тому агрономи часто обирають сульфат. У кормах ЄС оксид цинку дозволений як добавка, але з 2016 року максимум обмежено 150 мг цинку на кілограм повнораціонного корму, а ветеринарні фармакологічні дози (2500 ppm проти діареї поросят) в ЄС відкликали 26 червня 2022 року через ризик для довкілля й стійкість мікробів.
Окремо стоїть електроніка. Оксид цинку це напівпровідник з широкою забороненою зоною 3,37 еВ, тож із нього роблять варистори (елементи захисту від перенапруги), фериті й прозорі електроди. Це вже інша чистота й інша марка, але речовина та сама.
Марки, стандарти і два способи виробництва
Товарний оксид цинку роблять двома способами. Французький (непрямий) процес випаровує металевий цинк і окислює пари, дає чистоту понад 99,7% і рівні частинки; це матеріал для фарми, косметики й гуми. Американський (прямий) процес переробляє цинквмісну сировину з відновником, чистота нижча, а частинки голчасті й гірші для гуми. За ГОСТ 202-84 білила маркують БЦ0, БЦ1, БЦ2; фармакопеї USP і Ph. Eur. вимагають 99,0–100,5% ZnO.
Спосіб виробництва вирішує, куди марка годиться. Французький процес починає з чистого металевого цинку, тому в продукті майже немає домішок, а частинки рівні й округлі. Такий порошок іде у фарму, косметику й високоякісну гуму. Американський процес дешевший, бо переробляє різну цинквмісну сировину з відновником, але чистота нижча, а частинки виходять голчастими й для шин підходять гірше.
Норми задають різні стандарти під різні застосування. Пігментний ГОСТ 202-84 ділить білила на марки БЦ0, БЦ1, БЦ2 (муфельну БЦ0 позначають БЦ0М). Фармакопеї USP і Ph. Eur. вимагають від прожареної проби 99,0–100,5% ZnO. Пігмент для фарб окремо описує ASTM D79. Наша марка Gold Seal від перуанського заводу IEQSA це французький процес і чистота USP 99,9%, тобто верхня полиця за всіма трьома напрямками.
Що дивитися в паспорті партії
У паспорті оксиду цинку насамперед дивляться на вміст ZnO (у нас не менше 99,9%), на свинець (≤0,002%) і кадмій (≤0,001%) для фарми й косметики, і на питому поверхню BET (3,5–7 м²/г), від якої залежить активність у гумі. У партії 5683 фактичні цифри такі: ZnO 99,9%, свинець 0,0010%, кадмій 0,0004%, BET 4,8 м²/г, втрати при прожарюванні 0,10%.
Одного разу до нас прийшов виробник мінерального санскрину, якому попередній постачальник відвантажив «оксид цинку» з умістом свинцю близько 0,005%. За технічними мірками це нормальний порошок, а для крему, що лишається на шкірі, свинець на такому рівні неприйнятний. Партію завернули. Відтоді я раджу закупнику дивитися не тільки на рядок «ZnO 99%», а на важкі метали й на призначення марки.
Ось на що варто дивитися в паспорті.
| Показник | Норма (наша марка) | Партія 5683 |
|---|---|---|
| Вміст ZnO | не менше 99,9% | 99,9% |
| Свинець (Pb) | не більше 0,002% | 0,0010% |
| Кадмій (Cd) | не більше 0,001% | 0,0004% |
| Втрати при прожарюванні | не більше 0,2% | 0,10% |
| Питома поверхня (BET) | 3,5–7 м²/г | 4,8 м²/г |
| pH водної суспензії | 7,3–7,5 | 7,4 |
Питома поверхня BET це рядок, у який рідко дивляться, а дарма. Від неї залежить, наскільки швидко цинк увімкне вулканізацію в гумі: чим розвиненіша поверхня, тим активніший порошок. Свинець і кадмій вирішують долю партії у фармі й косметиці. А от рядок про водну токсичність (H400, H410) у паспорті безпеки стосується не шкіри, а утилізації та зливів: оксид цинку не можна змивати в каналізацію, це вимога до відходів, а не пересторога для споживача крему.
Як замовляти оксид цинку правильно
«Оксид цинку» в заявці це ще не вся інформація. Одна назва накриває і фармакопейну марку 99,9% для крему під підгузник, і сірий технічний порошок для дешевої гуми. Різниця в ціні й у важких металах між ними суттєва, тому в замовленні варто одразу писати галузь і потрібну чистоту, а не просто «цинкові білила, 25 кг».
Повернуся до чотирьох робіт, з яких почав. У гумі оксид цинку вмикає вулканізацію, у косметиці ловить ультрафіолет, у фармі підсушує шкіру, у фарбі бореться з пліснявою й кислотами. Марку під усі ці ролі ми тримаємо одну, USP 99,9% від IEQSA, і на кожну партію даємо паспорт із фактичними цифрами. Якщо не впевнені, чи піде ця чистота під ваш процес, надішліть специфікацію, і ми звіримо норми з паспортом партії ще до відвантаження.