物理性防紫外线屏蔽剂也称无机防晒剂，这类物质不吸收紫外线，但能反射、散射紫外线，用于皮肤上可起到物理屏蔽作用，如二氧化钛、氧化锌、高岭土、滑石粉、氧化铁等。其中二氧化钛和氧化锌已经被美国FDA列为批准使用的防晒剂清单之中，认可其物理屏蔽作用并广泛用于在防晒产品中，最高配方中用量均为25%。
通常所谓的纳米级材料粒子直径应在数十纳米以下，这种规格的二氧化钛或氧化锌对UVB有良好的屏蔽功能，对UVAⅡ区也有一定的阻隔作用，超细氧化锌可滤除波长370nm以下的紫外线。但单独使用无机防晒剂对UVA的防护效果较差，且影响产品的外观。
与化学性紫外线吸收剂相比，物理性屏蔽剂具有安全性高、稳定性好等优点，不易发生光毒反应或光变态反应。当然，物理性防晒剂也可以发生光催化活性而刺激皮肤。用各种材料如聚硅氧烷、氧化铝、硬脂酸及表面活性剂等对超细无机粉体进行表面处理，一方面可降低无机粉体的光催化活性，另一方面可防止无机不溶性粒子的析出或沉淀，改善产品的理化性质和使用时的肤感。
物理性紫外屏蔽剂是能反射和散射紫外辐射的化合物，它包括二氧化钛、氧化锌、二氧化钛-云母和红凡士林等。其作用是当日光照射到这类物质时，它使紫外线散射，从而阻止了紫外线的射入。这类防晒剂只要用量足够就可反射紫外、可见和红外辐射。近年来，这类防晒剂与紫外线吸收剂结合使用，提高了产品日光保护系数。一些新型的金属氧化物也开始应用于化妆品，专利文献已报道，使用微米级（0.2~20.0μm）和纳米级（10~250nm）的TiO2粉制造防晒化妆品，这类制品透明度好，不会产生粉体不透明而发白的外观，对UVB和UVA防护作用都很好，具化学惰性，使用安全。这类金属氧化物包括二氧化钛、氧化锌、氧化铬、氧化钴和氧化锡等。
物理性紫外屏蔽剂折射率越高，紫外线散射效果越大。这类物理性紫外屏蔽剂及其折射率如表9-1所示。由此可见，氧化锌、氧化铁、二氧化钛等对UVB、UVA的紫外线透射抑制效果高，可将它们配入大多数防晒制品中。
（一）超细钛白粉
从防晒化妆品的发展趋势来看，一是无机防晒剂代替有机防晒剂，二是仿生防晒。后者成本较大，目前难以推广，前者价格适中，且防晒性能优越，因而被普遍看好。尤其是纳米二氧化钛，由于其具有较为优越的性能和应用前景，因而发展势头和市场潜力较好。
超细钛白粉是指具有高比表面积、粒径在10~50nm的粉粒。现使用的超细钛白粉常进行表面处理，使其具有亲水性、疏水性、透明性和光稳定性等不同特性，形成的分散液为中性，安全性高，其重要的特性是对可见光具有极高的穿透性，而对紫外线具有极佳的阻挡作用。
二氧化钛的强抗紫外线能力是由于其具有高折光性和高光活性。其抗紫外线能力及其机理与其粒径有关：当粒径较大时，对紫外线的阻隔是以反射、散射为主，且对中波区和长波区紫外线均有效。防晒机理是简单的遮盖，属一般的物理防晒，防晒能力较弱；随着粒径的减小，光线能透过二氧化钛的粒子面，对长波区紫外线的反射、散射性不明显，而对中波区紫外线的吸收性明显增强。其防晒机理是吸收紫外线，主要吸收中波区紫外线。由此可见，二氧化钛对不同波长紫外线的防晒机理不一样，对长波区紫外线的阻隔以散射为主，对中波区紫外线的阻隔以吸收为主。
纳米二氧化钛由于粒径小、活性大，既能反射、散射紫外线，又能吸收紫外线，从而对紫外线有更强的阻隔能力。纳米二氧化钛对紫外线的吸收机理可能是：纳米二氧化钛的电子结构是由价电子带和空轨道形成的传导带构成的，当其受紫外线照射时，比其禁带宽度（约为2.3eV）能量大的光线被吸收，使价带的电子激发至导带，结果使价电子带缺少电子而发生空穴，形成容易移动且活性极强的电子-空穴对。这样的电子-空穴对一方面可以在发生各种氧化还原反应时相互之间又重新结合，以热量或产生荧光的形式释放能量，另一方面可离解成在晶格中自由迁移到晶格表面或其他反应场所的自由空穴和自由电子，并立即被表面基团捕获。通常情况下二氧化钛会表面活化产生表面羟基捕获自由空穴，形成羟基自由基，而游离的自由电子很快会与吸收态氧气结合产生超氧自由基，因而还会将周围的细菌与病毒杀死。可见，紫外线照射、表面水活化程度及吸氧率是二氧化钛光活性的3个基本条件。
正是由于纳米二氧化钛吸收紫外线后会产生自由基，从而会加速皮肤的老化，对皮肤造成危害。因此，在使用纳米二氧化钛作为防晒剂的时候，要从减弱或消除3个基本条件入手，以减弱或根本消除其光活性，从而降低其危害性。
纳米二氧化钛微粒的大小与其抗紫外能力密切相关。当其粒径等于或小于光波波长的一半时，对光的反射、散射量最大，屏蔽效果最好。紫外线的波长在190~400nm之间，因此纳米二氧化钛的粒径不能大于200nm，最好不大于100nm。但是，也不是颗粒越小越好，粒度太小容易团聚，不利于分散，还易于堵塞皮肤的毛孔，不利于透气和汗液的排除。一般说来，当其粒径在30~100nm之间时，对紫外线的屏蔽效果最好，同时能透过可见光，使皮肤的白度显得更富自然美。
纳米二氧化钛为无机成分，具有优异的化学稳定性、热稳定性及非迁移性和较强的消色力、遮盖力，较低的腐蚀性，良好的易分散性，并且无毒、无味、无刺激性，使用安全，还兼有杀菌除臭的作用。特别是由于其颗粒较细，成品透明度高，能透过可见光，加入化妆品使用时皮肤白度自然，克服了有的有机物或颜料级二氧化钛不透明，使皮肤呈现不自然的苍白色的缺点。
因此，纳米二氧化钛很快被广泛重视并逐步取代一些有机抗紫外剂，成为当今防晒化妆品中性能优越的一种物理屏蔽型抗紫外剂。
（二）超细氧化锌
纳米ZnO类似于纳米TiO2，是广泛使用的物理防晒剂，它们屏蔽紫外线的原理都是吸收和散射紫外线。纳米ZnO也属于N型半导体，它的禁带宽度为3.2eV。当受到紫外线的照射时，价带上的电子可吸收紫外线而被激发到导带上，同时产生空穴-电子对，因此它们具有吸收紫外线的功能。另外，其颗粒尺寸远小于紫外线的波长，纳米粒子可将作用于其上的紫外线向各个方向散射，从而减少照射方向的紫外线强度，这种散射紫外线的规律符合Rayleigh光散射定律。
纳米ZnO在屏蔽紫外线方面和纳米TiO2有所差异。在330nm以下，纳米TiO2对紫外线的屏蔽能力明显高于纳米ZnO；在同样浓度下，含纳米TiO2体系的吸光度约为纳米ZnO体系的2倍。在330~355nm内，纳米TiO2的屏蔽紫外线能力仍高于纳米ZnO，但在355~380nm的波长内，纳米ZnO的屏蔽紫外线能力高于纳米TiO2。因此，纳米ZnO虽然阻隔UVB的效果不如纳米TiO2，但对阻隔长波UVA（335~380nm）效果优于纳米TiO2，正是由于这一特性，纳米ZnO在防晒化妆品中逐渐得以应用。
纳米ZnO屏蔽紫外线能力是由其吸收能力和散射能力共同决定的，纳米ZnO的原始粒径越小，吸收紫外线能力越强且透明度高。根据Rayleigh光散射定律，纳米ZnO对不同波长紫外线的最大散射能力取决于其原始粒径、二次粒径和颗粒形状。纳米ZnO的原始粒径越大，对长波紫外线的散射能力越强。但如果纳米ZnO的原始粒径太大，由于其对可见光的散射能力也相应增加，涂在皮肤上会出现不自然的白化现象，因此，用于防晒化妆品的纳米ZnO存在合适的粒径范围。一般认为，屏蔽紫外线的合适原始粒径为10~35nm。
纳米ZnO在防晒化妆品中的应用有以下三方面的问题，一般通过对其表面进行改性来解决。
（1）ZnO的等电点在pH=9.3~10.3，与防晒化妆品体系的pH接近，因此纳米ZnO极易絮凝；另外，纳米ZnO粒子小、比表面积大、表面能极高，很容易形成团聚体。
（2）纳米ZnO的比表面积大，Zn2+极易溶出。Zn2+虽可以起到抗菌作用，但大量Zn2+的存在会使体系黏度增大，甚至产生凝胶化现象。如果体系含有脂肪酸及其盐，还会与Zn2+反应生成脂肪酸锌，这些都会导致紫外线屏蔽效果下降和使用感觉变差。
（3）纳米ZnO具有光催化作用，受到紫外线的辐射会产生空穴-电子对，部分空穴和电子会迁移到表面，在纳米ZnO表面产生原子氧和氢氧自由基。这些自由基具有很强的氧化和还原能力，会对皮肤细胞产生不良影响，而且会使其他有机成分变色、降解和分散，有时甚至会产生令人难以忍受的异味。
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