[发明专利]用于纳米颗粒的有效分散的材料和方法

说明书

本发明公开了一种用于增强纳米颗粒的分散的组合物和方法。在某些实施方案中，通过使用生化产生微生物和/或由这些微生物合成的副产物，这些组合物和方法可以用于增强底漆的性能和/或持久性。在某些实施方案中，添加生物表面活性剂可以增强颜料和/或其他纳米颗粒的分散，以及对颜色或污渍透过该底漆渗出的抑制。

相关申请的交叉引用

本申请要求2020年3月20日提交的美国临时专利申请62/992,420的优先权，其全文以引用方式并入本文。

背景技术

纳米颗粒是典型特征为尺寸在1纳米至100纳米之间的小颗粒。一般来讲，纳米颗粒是有机材料和无机材料两者的大家族。每种材料具有独特的可调特性，并且因此可以针对特定应用进行选择性设计。纳米颗粒是人眼无法察觉的，并且由于其尺寸较小，所以与散装材料诸如粉末、板材和片材相比具有较大的表面积与体积比。阳离子交换能力、增强扩散、离子吸附和络合等特性在纳米级上得到了增强。

纳米材料的使用横跨了从保健和化妆品到环境保护和材料科学的各个行业。例如，矿物纳米颗粒(诸如氧化钛)可以作为具有增强的稳定性的UV防护剂而用于防晒剂。纳米颗粒也可以用于制造脂质体或纳米胶囊、药物递送系统。

受益于纳米颗粒的一个行业是油漆和底漆工业。油漆底漆由颜料、粘合剂和溶剂或载体的混合物组成。理想的是，颜料在整个制剂中均匀分散，使得仅需薄薄的一层底漆就能充分覆盖表面。

通用的建筑底漆涂料具有两个主要功能。第一个主要功能是增强外涂层美化基材的能力。第二个主要功能是增强耐久性，延长外涂层的寿命。这些功能主要通过提高粘附性来实现，从而带来更好的抗裂性和抗起泡性。另外，关键的性能需求包括：隐藏形貌变化、密封多孔基材、防止原来的颜色透过外涂层显现出来、阻隔气味、在表面和外涂层之间提供粘结层以及减少污渍迁移到外涂层中。

用于油漆和涂料的纳米颗粒的示例是二氧化钛(TiO₂)、银(Ag)和二氧化硅(SiO₂)。二氧化钛纳米颗粒的光催化和疏水特性为涂料提供了自清洁、空气净化和抗UV特性。纳米银可以具有抗微生物特性，而二氧化硅纳米颗粒可以增加油漆和涂料的耐刮擦性和耐火性。

在汽车、船舶、化工厂、石油天然气、工业机械和建筑行业中，锌纳米颗粒也在底漆中用作底涂层，以保护钢表面免受腐蚀。与通过在金属与大气湿气之间形成不可渗透的屏障来抵抗腐蚀的常规油漆或环氧树脂不同，富锌底漆通过电气手段提供额外的腐蚀保护。如果油漆在其使用寿命期间被刮擦，则锌将牺牲性地被腐蚀而不是钢被腐蚀。

另一个受益于纳米颗粒的行业是石油和天然气工业。向注入溶液中添加某些纳米颗粒诸如TiO₂基、CuO基、二氧化硅基、氧化铝基和/或碳基纳米颗粒可以显著地有益于提高原油采收率(EOR)，具有润湿性反转、流体特性改变、提高圈闭油的流动性、增强砂的固结以及减小储层中的界面张力(IFT)等优点。纳米颗粒流体系统还可以被设计用于修复石蜡和沥青质沉积物、聚合物、生物膜和垢，以及用于降低沥青和重油的粘度。

虽然纳米颗粒具有无数的益处和用途，但是形成具有均匀分散的纳米颗粒的溶液仍然是一个挑战。纳米颗粒由于例如其静电特性而经常形成称为聚集体和附聚物的簇状物。键的强度可以发生变化，从共价键到弱静电力或磁力。为了使纳米颗粒组合物达到最佳功效，理想的是纳米颗粒均匀分布且簇集减少。可以使用化学试剂来迫使颗粒分离；然而，需要更环保的方法。

生物表面活性剂是作为使用微生物来源的化学品替代合成化学品这一日益增长趋势的一部分的化学品。生物表面活性剂是由微生物产生的一组结构多样的表面活性物质。所有生物表面活性剂都是两亲物。它们由两部分组成：极性(亲水性)部分和非极性(疏水性)基团。生物表面活性剂由于其两亲性结构而可以例如增加疏水性水不溶性物质的表面积、增加此类物质的水生物利用度以及减小界面处的界面张力。因此，生物表面活性剂由于其环保性质和广泛用途而具有在各种应用和行业中替代化学品的潜力。

发明内容