ナノ粒子合成の適切な管理は、鉱物コロイドのサイズ制御と安定性だけでなく、有機コーティングとの互換性を保証するためにも重要です。すべての産業用コーティングと互換性があり効率的な万能のUV吸収鉱物添加剤は、上流でこの目標を達成することで、セリウム酸化物の主な機能（例：UV吸収）の恒久的な効果と、ナノスケールの物理的効果（スクラッチ耐性、強度、防水性など）をわずか1 wt%の濃度でも享受することができます。
これらの結果は、ナノテクノロジーが木材建設の耐久性の向上を通じて私たちの日常生活の改善に寄与し、コーティング業界に大きな変化をもたらすことなくメンテナンスを減らすことを示しています。
CrownReは、無機化学（レアアース、シリカ、ジルコニウム、チタン）における専門知識により、10年以上にわたってナノ粒子システム（粒径5〜100nm）を定期的に開発してきました。適用分野は、タイヤや化粧品、プラスチックやコーティング、触媒/フィルトレーションなど多岐にわたります。この知識は、特に木材コーティングで使用される有機透明コーティング技術に適用されています。
セリウム酸化物ナノ粒子は、木材コーティング業界の高性能分野の性能ニーズを満たすために役立つ特長を持っています。
一般的に知られているように、ナノ粒子から構築された材料や組成物を「ナノマテリアル」と呼びます。これらのナノ粒子の典型的なサイズは100 nm以下です。
この論文で使用される定義によると、ナノマテリアルとは、ホストマトリックス（例：ポリマー、コーティング、化粧品処方など）にナノ粒子を分散させたものです。この論文では主に、サイズが約10 nmの一次ナノ粒子について議論します。ナノ粒子のサイズと表面の管理が重要であり、取り扱いや配合を容易にするためです。
セリウム酸化物ナノ粒子
現在、セリウム酸化物は主にディーゼルエンジンの触媒分野や化学・機械研磨（CMP）で広く使用されています。しかし、セリウム酸化物はその光学特性と紫外線（UV）フィルタリング能力でもよく知られています。CrownReの専門知識により、粒径5nmから100nmまでのサイズ制御が可能です。直径10nmのセリウム酸化物ナノ粒子の安定なゾルを得ることができ、これらのゾルは完全に透明な液体として見えます。
セリウム酸化物ナノ粒子は小さいながらも非常に効果的なUVフィルタリングを提供します。理論によれば、セリウム酸化物は約370nmでUVカットオフし、これはナノチタン酸化物と同様です。セリウム酸化物とチタン酸化物はどちらも半導体であり、UV吸収メカニズムは同じです。
チタン酸化物の場合、これらのホールと電子は粒子の表面に移動し、酸素、水、ヒドロキシルと反応してフリーラジカルを形成します。これを「光触媒作用」と呼びます。
一方、セリウム酸化物はUVを吸収しても光活性を持ちません。セリウム酸化物の結合はよりイオン性が高く、電子とホールが表面に移動する前に再結合しやすいため、フリーラジカルの生成はありません。したがって、セリウム酸化物は光触媒効果を示しません。
さらに、セリウム酸化物は可視光スペクトル（400〜800nm）での透明性がチタン酸化物よりも高いです。
コーティング技術への応用
木材は生きた材料であり、保護が必要です。この要件を満たすために、特に美観と耐久性の点で、コーティング業界は高品質な製品を使用します。セリウム酸化物ナノ粒子は、特定の化学処理によりコーティング処方に適切に分散され、有機紫外線（UV）吸収剤と鉱物添加剤の利点を兼ね備えています。セリウム酸化物ナノ粒子は、UV吸収機能の耐久性を確保し、現在の木材技術で使用される有機バインダーの硬度と強度を向上させます。ナノ粒子は光を散乱しないため、コーティングは透明性を保ちます。
実験
標準の木材コーティング処方と溶媒または水性のナノセリウム酸化物分散液を単純に混合して、水性および有機木材ステイン処方を調製しました。水性システムはアクリル-ポリウレタン分散液であり、有機溶剤系処方はアルキド樹脂です。コーティングは松のパネルにブラシで塗布しました。
スクラッチ耐性
「スクレロメーター」を使用してタングステンチップで試験を行いました。適用される圧力はキャリブレーションされたバネで調整されます。測定結果（グラム単位）は、木材コーティングを傷つけるのに必要な最小圧力です。
硬度と摩耗
硬度試験はペルソズ法に従って行われ、フィルムが繰り返し荷重を受ける際のエネルギー吸収を測定します。結果（秒単位）は、フィルムが12°の傾斜で始まり、4°で終了する際の振り子の振動数です。この試験は硬度、摩擦、機械的損失を含む複雑な実験であり、フィルムの粘弾塑性挙動を特徴付けます。結果が高いほど、フィルムの特性が優れています。
摩耗抵抗はコーティングの重要な特性です。一定の圧力下で制御された速度で研磨材を移動させる単純な試験装置を使用して、実際の状況をシミュレートできます。試験前後の表面光沢の測定は、コーティングの摩耗抵抗の良い指標となります。
引張特性
修正されたコーティングの機械的特性を特徴付けるために、非粘着性表面（ガラス）にコーティング層を塗布して自由フィルムを形成します。ドッグボーン試験片を切り取り、引張試験機で試験します。降伏応力、引張強度、伸び率を破断点で記録します。
結果
室温で乾燥後、有機バインダーに鉱物粒子が均一に分散したハイブリッドシステムが得られます。TEM顕微鏡写真（図4）に示されるように、各「黒い点」は、ポリマーの乾燥フィルム内にナノメートルスケールで分散されたセリウム酸化物の基本ナノ粒子です。この優れた分散により、ナノスケールの物理的効果の影響で、有機コーティングの他の特性が向上します。
耐久性
気候試験室（Xenotest 1200）で1,200時間の暴露後、300 g/m2の処方は漂白、ひび割れ、保護フィルムの剥離の影響を示します。 有機UV吸収剤の追加はこれらの効果を遅らせるが防ぐことはありません。 有機UV吸収剤も表面に移動し、UV放射線によって破壊され、徐々に効果を失います（図5および6）。
有機UV吸収剤とは異なり、セリウム酸化物ナノ粒子はUV放射下で完全に安定しており、水性および溶剤系処方の両方で恒久的な保護効果を示します。さらに、同じ条件下で、セリウム酸化物ナノ粒子を1 wt%追加することで、フィルムの物理的および機械的完全性が維持されます。
機械的特性および耐水性
結果は図7および8、および表1に要約されています。セリウム酸化物ナノ粒子によって表面の機械的特性（硬度およびスクラッチ耐性）は明らかに向上します。有機ホストマトリックスのバルク特性もセリウム酸化物ナノ粒子の存在により大幅に変更されます。引張強度、破断時の伸び率、および降伏応力は大幅に向上します。フィルムの表面強化を説明するための無機表面ネットワークの形成仮説を支持するものではないため、乾燥中に粒子周りのポリマー鎖の構造的組織の変更が発生すると考えられます。
水抵抗性および水障壁特性は、木材構造物の耐久性および安定性にとって非常に重要です。雨や湿気の作用は、UV、酸素、および水分子の連合作用により保護コーティングの光分解と最終的な破損を引き起こすため、屋外構造物のコーティングの劣化の主な要因です。さらに、コーティングへの水の浸透は、コーティングの木材基材への付着不足を引き起こし、顕著な破損を引き起こします。この点で、基準とセリウム酸化物コロイド修正アルキド処方を比較して、松のパネルで水吸収試験を行いました。基準の水吸収は72 g/m2で、セリウム酸化物を含むコーティングでは45 g/m2に減少しました。
最終的に、有機マトリックスへのセリウム酸化物ナノ粒子の導入は、コーティングの親水性特性の大幅な変更をもたらし、水抵抗性の向上をもたらします。水滴の接触角は表面の水抵抗性を特徴付ける重要なパラメーターであり、セリウム酸化物ナノ粒子の追加により大幅に増加します。初期の耐水性の向上は、Xenotest条件下での経年劣化後もさらに向上します。
実用的な観点から、機械的特性の向上とUVフィルター保護の組み合わせにより、ひび割れの発生が遅れ、木材の寸法変動にコーティングがより良く対応できるようになります。スクラッチ耐性の向上により、見た目や耐久性が向上し、取り扱いによる弱点や微細なひび割れの防止に役立ちます。