氧化铈纳米颗粒在满足木器涂料行业的性能需求方面具有优势，特别是在高性能领域。
众所周知，我们使用“纳米材料”这个名称来描述由纳米颗粒构成的材料或组合物，它们在应用中具有活性。这些纳米颗粒的典型尺寸小于100纳米(100纳米)。
纳米材料，根据本文使用的定义，是在宿主基质(例如，聚合物，涂层，化妆品配方等)中分散的纳米颗粒。然后可以描述三个不同的系统:
- 纳米一次粒子;
- 由若干初级粒子组成的纳米二次聚集体;而且
- 由若干次粒子组成的纳米三级聚集体。
氧化铈纳米粒子
今天，氧化铈主要用于催化领域(主要用于柴油发动机)，以及化学和机械抛光(CMP)。然而，氧化铈也因其光学特性和过滤紫外线的能力而闻名。此外，Rhodia的专业知识确保了从5纳米直径到100纳米的良好尺寸控制。我们能够获得直径为10纳米的氧化铈纳米颗粒的稳定溶胶。这些溶胶看起来是一种透明的液体，因为这些颗粒足够小，可以完全透明。例如，在相同的固体浓度(1g/l)和相似的颗粒大小下，二氧化钛溶胶呈乳白色(图1)。尽管氧化铈纳米颗粒体积小，但在紫外线过滤方面非常有效(图2)。根据理论，氧化铈在370 nm左右具有紫外线截止阈值，与纳米氧化钛相似。氧化铈和氧化钛都是半导体(带隙约为3.0 - 3.2 eV)，并具有相同的经典紫外吸收机制:在紫外光照明下，吸收比带隙能量更高的光子会产生电子-空穴对。
在氧化钛的情况下，这些空穴和电子迁移到粒子的表面(而不是在粒子内部重新结合在一起)。当空穴和电子结合表面时，它们可以与氧、水或羟基反应形成自由基。这一过程目前被称为“光催化”(图3)。
这些自由基是氧化实体，可导致有机分子的降解，特别是聚合物，这可能是保护涂层的一个重要问题。
相反，氧化铈吸收紫外线而不具有光活性。事实上，氧化铈有一个局域电子(4f轨道)，而氧化钛的局域电子比氧化铈(3d轨道)少。因此，铈-氧键比钛-氧键更具离子性，逻辑上，载流子(空穴和电子中心)的产生比氧化钛低。此外，氧化铈在载流子迁移到表面之前表现出非常快的重组(由于晶体缺陷，氧化还原反应)，因此，没有进一步产生自由基。由于这两种现象的结合，氧化铈不表现出任何光催化作用。
在其他方面，我们可以在图2中看到，氧化铈在可见光谱从400到800纳米的透明度比氧化钛高。这一结果与这两种材料的折射率值(氧化铈为2.1-2.2，氧化钛为2.5-2.7)很好地吻合。188金宝搏bet官网
到目前为止，人们可以认为氧化铈是满足保护涂层领域需求的优秀候选材料。然而，即使我们现在已经确定了令人满意的化学成分和尺寸，具有适当的紫外线过滤和透明度，但没有光催化作用，仍然需要使这些纳米颗粒在水性和溶剂性木材染色剂配方中达到良好的相容性状态。
为了克服这一问题，Rhodia开发了一套专有处理方法，可用于获得碱性水氧化铈溶胶(从100到300 g/l)和完全稳定的有机溶胶，最高可达300 g/l，两者在纳米尺度上完全稳定，易于处理和在木材污渍中配制。
水性和溶剂型纳米氧化铈系统都特别适用于木材涂层技术，并被命名为RhodigardTM纳米技术。
涂料技术应用
木材是一种有生命的材料，需要呵护和保护。为了满足这一要求，特别是在美观和耐用性方面，涂料行业使用高质量的产品。188BET竞彩氧化铈纳米颗粒使用前面描述的特定化学方法适当地分散在涂层配方中，结合了有机紫外线(UV)吸收剂和矿物添加剂的优点。氧化铈纳米颗粒确保了紫外线吸收功能的耐久性，同时提高了硬度，加强了目前木材技术中使用的有机粘合剂。由于纳米颗粒不散射光，涂层保持透明。透明度(即不上色、不增白)是木器涂料行业的重要要求;由于木材是一种天然材料，涂层必须尽可能中性。当以耐久性为目标时，通常会添加彩色颜料来帮助实现这一目标，但这对最终产品的美学产生了负面影响。有机紫外线吸收剂也很有效，但由于活性分子的逐渐破坏(迁移、浸出、光化学活性)，其作用受到限制。实验
将标准木器涂料配方与溶剂型或水性(pH值>7)纳米氧化铈分散体简单混合，制备了水性和有机木器染色剂配方。水性体系是丙烯酸-聚氨酯分散体。溶剂剂型为醇酸剂型。涂料(300g /m2)用刷子涂在松木面板上。抗划伤
测试是用一个配有钨头的“硬度计”(brave)进行的。施加的压力由校准的弹簧调节。测量值(以克为单位，非si单位)是划伤木材涂层所需的最小压力。硬度和磨损
硬度测试根据珀索兹法进行，对应于测量薄膜在重复加载时的能量吸收。结果(以秒表示)是当测试膜开始倾斜12°，测试结束倾斜4°时，与测试膜接触的摆的振荡次数。这是一个相当复杂的实验，涉及硬度、摩擦和机械损失。换句话说，它表征了薄膜的粘-弹-塑性行为。结果越高，薄膜性能越好。耐磨性是涂料的一个关键性能。人们可以使用一个简单的测试装置模拟一个非常实际的情况，其中磨料在恒定压力下以受控速度移动。测试前后对表面光泽度的测量，可以很好地反映涂层的耐磨性。
拉伸性能
为了表征改性涂层的机械性能，通过在非粘性表面(玻璃)上沉积涂层层形成自由薄膜。狗骨标本被切割并在拉力机上进行测试。在断裂点处记录屈服应力、拉伸强度和伸长率。
结果
室温干燥后，得到混合体系(含矿物颗粒的有机粘结剂)，氧化铈纳米颗粒均匀分布在整个有机粘结剂中，如图4所示(图4)。事实上，显微照片中显示的每一个“黑点”都是分散在聚合物干膜中纳米级的氧化铈的基本纳米颗粒。纳米颗粒在有机基质中的优异分散性确保了非常好的紫外线防护，并在纳米尺度物理效应的影响下改善了有机涂层的其他性能。
耐用性
在气候室(Xenotest 1200) 300 g/m2中暴露1200小时后，配方显示了保护膜的漂白、裂缝和分层的影响。添加有机紫外线吸收剂会延迟这些影响，但不能阻止它们。紫外线有机吸收剂也会迁移到表面，被紫外线辐射破坏，逐渐失去效率(图5和图6)。与有机紫外线吸收剂不同，氧化铈纳米颗粒在紫外线辐射下是完全稳定的，并且在水性和溶剂性配方的情况下都具有永久的保护效果。此外，在相同的条件下，添加1wt %的氧化铈纳米颗粒将保持薄膜的物理和机械完整性，如下面的讨论所示。
机械性能和耐水性
结果总结在图7、8和表1中。氧化铈纳米颗粒明显提高了表面力学性能(硬度和抗划伤性)。在氧化铈纳米颗粒的存在下，有机基体的体积特性也发生了强烈的改变:拉伸强度、断裂伸长或屈服应力都得到了显著提高。目前，导致薄膜表面和整体力学性能改善的精确机制尚不清楚。氧化铈纳米颗粒在基体中的均匀分布并不支持形成无机表面网络来解释聚合物膜表面强化的假设。因此，很可能在干燥过程中发生了颗粒周围聚合物链的结构组织的改变。
最后，将氧化铈纳米颗粒引入有机基质中，涂层的亲水性发生了显著的改变，从而提高了耐水性。水滴的接触角表征了表面的水阻力。添加氧化铈纳米颗粒后，这一重要参数显著增加(图9)。有趣的是，在Xenotest条件下老化后，最初的拒水性改善进一步增强。
拒水和水屏障性能对木结构的耐久性和稳定性至关重要。雨水和湿度对室外建筑的作用是涂层降解的关键因素，因为保护涂层的光降解和最终失效是紫外线、氧气和水分子共同作用的结果。此外，涂层中的水渗透导致涂层与木基板的粘附性不足，导致宏观失效。在这方面，对松树面板进行了吸水测试，并与氧化铈胶体改性醇酸配方进行了比较。参比的吸水率为72 g/m2，含氧化铈涂层的吸水率降至45 g/m2。
结论
纳米颗粒的合成不仅是控制矿物胶体的尺寸和稳定性的关键，而且是保证与有机涂层的相容性的关键。一种通用的紫外线吸收矿物添加剂必须与工业上使用的各种涂料兼容并高效。当上游实现这一目标时，就可以受益于氧化铈主要功能的永久性影响(例如，紫外线吸收)以及纳米级物理效应:抗划伤性、强度和疏水性，即使浓度低至1wt %。这些结果表明，纳米技术可以通过提高木结构的耐久性，从而降低维护成本，从而改善我们的日常生活，而不会对涂料行业产生重大变化。188BET竞彩
确认
作者感谢O. Sanseau和R. Sellier提供的技术专长和TEM观测，感谢S. Meeker帮助审阅文本。
本文发表于2005年1月由油漆研究协会主办的纳米和混合涂料会议，曼彻斯特，英国。会议记录可通过联系会议管理员Janet Saraty (j.saraty@pra.org.uk)获得。
如需进一步信息，请联系Bruno Echalier， + 33 4 72 13 19 68，传真+ 33 4 37 91 81 04;或发邮件至Bruno.echalier@eu.rhodia.com。
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