[0001] 本公开涉及一种凝胶组合物、生产凝胶组合物的方法以及凝胶组合物的特定用途。更具体地，本公开涉及二氧化硅水凝胶的生产，特别是涉及用于设计和制造控释水凝胶的实施例。本发明还涉及工业上生产各种配方的水凝胶的方法，以满足其在抑制微生物活动的气味方面的具体应用。

[0002] 凝胶可以被设计为连续释放各种活性成分以满足其特定用途。这种特定用途的例子包括消毒、微生物抑制、除臭等。通过该方法生产的凝胶能够在其特定的用途中长时间地发挥作用。

[0003] 现有工艺中的许多凝胶组合物及其生产方法(特别是工业生产方法)还存在着一些问题，例如生产过程复杂、生产的效率不高、成本较大、难以控制凝胶产品的质量、在反应器和管道中凝固等。

[0004] 因此，到目前为止，研发一种高效、经济的方法以实现控制微生物活动的气味的活性成分的可控释放，仍然存在着很大的技术挑战。

[0005] 硅醇酯可以和水反应，水解形成硅羟基，硅羟基之间或与未水解的硅醇酯的进一步反应，将在液相中形成三维的氧化硅网络，此外，胶态氧化硅悬浮液也能通过缩聚反应形成三维的凝胶骨架。目前，此类无机氧化硅凝胶或胶态氧化硅悬浮液还没有被应用于控制微生物活动的气味的活性成分中。

[0049] 下述定义用于理解本发明和建立权利要求。

[0050] 除非特别说明，否则本发明中单数形式的“一种”也包括复数含义。

[0051] 说明书和权利要求书中的“凝胶组合物”既可以指初始的混合体系(它的粘度将随着时间推移而逐渐增加，并在特定的时间内转化为固体凝胶)，也可以指最终的包封活性剂的水凝胶。因此，术语“控制释出活性剂的剂量以抑制因微生物活动所产生的气味的组合物”可以理解为此处所使用的活性剂的凝胶组合物。

[0052] 本发明中“活性成分”可以包括用于消毒、微生物抑制、除臭等的任何活性物质，例如微生物消毒剂、微生物抑制剂、代谢抑制剂和除臭剂中的至少一者，其可以抑制因微生物活动所产生的气味。

[0053] 本发明中“溶胶”可以包括由凝胶前体(例如，硅醇酯)和酸性或碱性催化剂的水溶液构成的反应混合物。

[0054] 本发明中“活性成分”可以包括单一活性物质以及多种活性组分的混合物。

[0055] 在本发明中，凝胶的结构/骨架是由氧化硅溶胶构成的无机氧化硅网络，这里的氧化硅溶胶可通过水解硅醇酯制备，也可以是一种胶态氧化硅悬浮液。进一步的缩聚反应使得氧化硅溶胶增长、聚集和交联，在一段时间后，氧化硅网络的扩展将使得整个溶胶体系固化。

[0056] 除非特别说明，否则本发明中的技术和科学术语含义与本领域技术人员普遍认可的含义一致。

[0057] 为了更好地理解本发明内容且不限于本发明内容，除非特别说明，否则本发明中包括数量、百分比和比例在内的所有数字为近似值，根据对应参数的性质并基于常规的有效数字取舍原则，从实验数据中获得这些近似值。

[0058] 如图1所示，凝胶组合物的制备涉及凝胶前体11(例如硅醇酯)在催化剂12(例如酸或者碱催化剂)的存在下的水解过程(S1)。水解之后还包括聚合过程(S2)以形成溶胶(例如氧化硅溶胶)。在S2之后可以加入活性成分13，然后在S3将活性成分包裹到溶胶(例如氧化硅溶胶)中。任选地，还可以在S3之后加入添加剂14(如交联剂)。S4涉及到缩聚过程。缩聚反应使得溶胶增长、聚集和交联其进一步将活性成分和任选的添加剂(如交联剂)牢固地包封在溶胶中。然后可以将溶胶排出到另外的容器中进行陈化/成形(S5)，从而形成包封有活性成分/或惰性添加剂14的水凝胶(例如二氧化硅水凝胶)。

[0059] 在凝胶前体的水解等反应中，可能导致反应的温度显著升高，温度升高会导致产生过于粘稠的氧化硅溶胶，甚至预先凝胶化，不利于后续的制备过程。这在规模化生产或工业生产中尤其是如此。

[0060] 因此，在一个方面中，本发明提供了一种生产凝胶组合物的方法，包括下列步骤：(1)将凝胶前体与催化剂在反应器中进行反应，以制备溶胶；(2)将所述溶胶与活性成分混合，以得到混合物；(3)将所述混合物分配到接受容器中并且凝固，以形成包封有所述活性成分的凝胶组合物。优选地，所述步骤(1)包括在反应启动之后，控制反应器中的升温幅度不超过20℃，优选不超过10℃，更优选不超过5℃，或者不超过2℃。

[0061] 可以通过多种方式来控制反应器中温度升高不超过20℃，包括在将所述凝胶前体加入反应器之前预水解至少5分钟；在反应器上设置冷却水循环系统；在反应器中的水解反应启动不超过10分钟后将冰或者冰水加入反应器之中；以及在反应启动不长于5分钟后，将溶胶溶液连续流动到外部的管道静态混合器中的至少一者。

[0062] 上述方式可以进行组合，例如启动冷却水循环系统，同时将溶胶溶液连续流动到外部的管道静态混合器中；在反应器上设置冷却水循环系统，同时在反应器中的水解反应启动不超过10分钟后将冰或者冰水加入反应器之中。

[0063] 冷却水循环系统可以包括围绕反应器的冷却夹套、冷却器以及将冷却夹套和冷却器相连的管道，其中冷却水在冷却夹套、管道和冷却器之中循环流动。

[0064] 在一个实施方式中，生产凝胶组合物的方法为间歇式过程，包括将凝胶前体的溶液与催化剂一次性加入反应器中，在与活性成分混合之前向容器中加入冰或者冰水保持其升温幅度小于2℃并且将溶胶浓度调整为10‑20重量％。然后可以一次性将得到的混合物溶液分配到另外的容器中。

[0065] 在另一个实施方式中，生产凝胶组合物的方法为连续流动过程，包括在连续搅拌的反应器中将凝胶前体溶液和催化剂连续反应，并且将得到的溶胶连续流动到反应器外部的管道静态混合器中与活性成分混合，然后将得到的混合物分配到容器中凝固为凝胶组合物。

[0066] 在又一个实施方式中，生产凝胶组合物的方法为间歇式过程，包括凝胶前体在反应器之外预水解至少5分钟，将预水解的前体与催化剂一次性加入反应器中，向反应器中加入活性成分，然后一次性将得到的混合物溶液分配到容器中。

[0067] 在本发明中，优选的凝胶组合物是二氧化硅水凝胶组合物。二氧化硅水凝胶组合物的生产涉及一系列复杂的过程和反应(图1)，而其产生的热量有可能引发过早凝胶化。为了避免过早凝胶化，间歇式和连续流动式生产线的设计和运行需要订立相应的对策。间歇式生产能在反应中使用冰水来快速冷却混合物并延迟凝胶化过程，而在连续流动式生产过程中，预先水解后的溶胶能在管道静态混合器中与活性成分快速流动混合，也能快速散热。水凝胶在凝固前可以通过使用容器模具或透过挤塑工艺塑造成不同大小和形状。

[0068] 图2示出了在不同量的酸催化剂(图2A)和不同的溶液混合速度(图2B)下，间歇水解凝胶前体的温度变化曲线。反应的程度是通过监测凝胶前体和乙醇产物的浓度来确定(图2C)。更多的酸催化剂(图2A)和更快的混合速度(图2B)使热量迅速产生，并随着凝胶前体的转化产生乙醇(图2C)。

[0069] 图3和图4示出了使用冰水作为水解反应物来降低反应温度和调整溶胶浓度，以防止混合物快速和不受控制地凝固。如图3所示，该工艺包括：1.凝胶前体溶液发生反应，同时监测温度升高；2.加入冰块以冷却反应并调整溶胶浓度；3.加入活性成分并形成水凝胶，例如二氧化硅水凝胶6。具体来说，该工艺涉及到使用酸或碱催化剂在搅拌良好的间歇式反应器中用水水解凝胶前体，并通过反应器的冷却夹套进行冷却以减缓温度的上升。反应器5的温度需进行监测(通过温度计4进行监测)，在加入活性成分之前，按一定量(0‑30重量％)加入冰块，以保持其升温幅度小于20℃，并同时调整溶胶的浓度(在10‑20重量％)。然后，混合物被均匀地混合并分配到接收容器中凝固。图4示出了间歇式反应器(图4A)、加入冰块进行冷却(图4B)以及含有活性成分的水凝胶产品凝固的照片。

[0070] 在本发明中，凝胶前体优选为硅醇酯。本发明可以使用本领域中的方法制备的或商品的硅醇酯，硅醇酯包括但不限于正硅酸乙酯(TEOS)、正硅酸甲酯(TMOS)和正硅酸丙酯(TPOS)，考虑到材料成本和反应性质，正硅酸乙酯是优选的硅醇酯。硅醇酯与水通过水解反应生成氢氧化硅，氢氧化硅之间或与未水解的硅醇酯通过缩聚反应在液态介质中构成三维氧化硅网络，同时释放水和/或醇分子。

[0071] 任选地，催化剂选自酸水解催化剂或者碱水解催化剂，酸水解催化剂优选盐酸、硝酸、柠檬酸中的至少一者，碱水解催化剂优选氨水、氢氧化钠、氢氧化钾以及碱稳定的胶态氧化硅悬浮液中的至少一者。

[0072] 在加入到反应器之前，可以将凝胶前体与液态介质混合以得到前体溶液。也可以在加入反应器之前，将凝胶前体与液态介质进行预水解，然后将预水解物加入到反应器之中。液态介质可以是水、醇和其它水溶性溶剂。存在的酸或碱可以加速上述的水解和缩聚过程。在合适的条件下，得到无机氧化硅基体，其可以是透明的固载有液态介质的自担载凝胶。

[0073] 图5示出了凝胶组合物(例如二氧化硅水凝胶组合物)的两种连续流动式生产过程的示意图。该工艺旨在解决反应过程中快速升温的问题，以防止混合物在反应器和管道中凝固，从而生产更均匀的产品。图5A示出了由三个搅拌良好的罐体52、53和57组成的生产程序，其中各罐体分別含有凝胶前体(如硅醇酯，优选还包含水等液态介质)、水中的稀酸或碱催化剂溶液，以及活性成分的溶液。活性成分包括微生物消毒剂，如亚氯酸钠、钠或钾、次氯酸钠或次氯酸钾、亚硝酸钠、库珀盐、聚六亚甲基双胍；代谢抑制剂(例如，精油、多酚、聚羧酸、锌盐、铜盐)和除臭剂(例如，亚硝酸钠、二氧化氯、高锰酸盐)。活性成分的选择是基于其降低微生物的生存能力，并能減慢其新陈代谢，从而抑制恶臭气体的产生。

[0074] 凝胶前体溶液51、酸或碱催化剂54和液态介质(例如水)在反应器55中混合，并且连续搅拌，从而生成溶胶。反应器55能通过包括冷却夹套的循环水冷却系统551(其中含有冷却水553)来散去水解反应产生的热量。短暂的停留时间(<5分钟)也限制了反应器55内能产生的热量。然后，溶胶通过泵送经过带有翅片的管道静态混合器，将溶胶和活性成分56均匀地混合，最后分配到另外的收集罐58(即凝胶模具)中进行固化。图6是根据图5A建造的台式装置的照片。

[0075] 在图5B中的工艺中，还包括含有添加剂60的额外罐体59。添加剂包括胶体二氧化硅、氧化铝溶胶、聚合物和表面活性剂，用于改变硅胶的强度、表面电荷、弹性和孔隙度，从而控制其硬度、兼容性、耐久性和释放率。图7是根据图5B建立的连续式生产装置的照片。

[0076] 图8示出了根据本发明的一个实施例(实施例9)的连续式生产装置启动时的反应器温度曲线。首先将凝胶前体溶液加入搅拌(200rpm)中的反应器，并加入少量的催化剂(0.01‑1重量％)以引发反应。1表示0秒:开始搅拌(200rpm)。然后随着反应，温度上升很快。2表示450秒:温度上升得很快。反应器的温度可允许上升至60℃以引发水解反应。3表示540秒:水解结束，峰值温度60.9。一旦温度开始下降，就能开始流动过程。在最初的流动过程中，温度会较温和地上升了10℃。4表示2415秒:开始连续添加TEOS和酸(温度开始上升)。5表示连续流动导致的冷却能够将温度维持在30.9℃。6表示3735秒:停止添加TEOS和酸(温度开始下降)。当流动开始后大约15分钟，反应器的温度就会稳定在25±2℃左右。

[0077] 图9分别示出了实施例1、实施例8和实施例2的反应器温度变化曲线。如图9所示，与添加冰(实施例1，即91)或预水解前体(实施例8，即92)的间歇式生产过程相比，带有冷却水循环系统的连续式生产(实施例2，即93)的升温幅度是可以忽略不计的。根据图10中的ATR‑FTIR(衰减全反射‑傅里叶变换红外光谱)的分析，间歇(实施例1)和连续生产过程(实施例2)产生的二氧化硅水凝胶的质量和化学性质相当。

[0078] 图11A是示出用于挤塑和形成不同形状和尺寸的水凝胶的连续生产过程示意图。连续生产过程包括连续生产装置，该装置包括配有冷却夹套(其与进入的冷水114和出去的热水115连通)的连续搅拌罐式反应器112，用于水解凝胶前体以生产溶胶113(例如，水解后的TEOS溶液)以及用于容纳活性成分和碱性催化剂的容器115。温度计111用于监测反应器
112的温度。通过泵116将溶胶与活性成分泵入三通管道117并且进入管道静态混合器114混合，并通过喷嘴挤出产品，如图11B‑D所示。挤出物被允许在一个油柱117中凝固。图12A‑B示出了用这种方法生产的不同球形和圆柱形的固化水凝胶。图12C‑D还显示了不同的颜色和尺寸也可以制成。

[0079] 在另一方面中本发明还提供了利用所述的方法制备的凝胶组合物。

[0080] 例如，根据本发明的方法制备的凝胶组合物可以包含0.1‑12重量％的活性剂；5‑35重量％的二氧化硅基体以及任选的0‑20重量％的添加剂。

[0081] 在第三方面中，还提供了上述的凝胶组合物用于控制释出活性成分的剂量以抑制因微生物活动所产生的气味的应用。

[0082] 优选地，本发明提供了生产二氧化硅水凝胶的方法，所生产的二氧化硅水凝胶具有长期控制释放活性成分的特性。二氧化硅水凝胶由二氧化硅前体组成，通过反应形成二氧化硅交联网络，其用于储存和释放特定的活性成分。而加入酸和/或碱催化剂，能加速反应，並且达到均匀性，并加强二氧化硅的性能，以提高其对活性成分的储存剂量。所述的活性成分可以在制备过程中加入，并在该过程中包裹并且储存在硅胶网络中。

[0083] 二氧化硅水凝胶的生产方法包括但不限于二氧化硅前体的水解、活性成分的加入、硅溶胶的添加以及生成物的凝胶化。间歇生产方法包括水解二氧化硅前体，加入冷水或冰水以降低其温度，加入活性成分后快速混合，最后分配到容器中，并凝胶化为固化的二氧化硅水凝胶。连续生产方法包括在连续搅拌的罐式反应器中对二氧化硅前体和酸或碱催化剂进行水解，产生预水解溶胶。该溶胶在通过管道静态混合器与活性成分和胶体二氧化硅混合，并分配到容器中凝胶化为固化的二氧化硅水凝胶，或者透过挤塑工艺塑造成不同的形状，包括球体。

[0084] 例子

[0085] 在以下的例子中，反应体系的容积均为1L以上。

[0086] 实施例1

[0087] 如图4所示，通过间歇生产制备用于抑制微生物源气味的控释水凝胶组合物。首先在图4A中的反应器中，相对于反应混合物的总重量，加入35.0重量％的正硅酸四乙酯(纯度为98％)和水的混合物并且水解。在快速搅拌(200rpm)下，加入10％(重量)的酸性催化剂(即0.14M的硝酸)引发反应。如图4B所示，通过加冰(15重量％)冷却反应，同时亦将硅溶胶浓度调整到20重量％以内。然后向反应器中加入微生物消毒剂、代谢抑制剂和除臭剂，包括亚氯酸钠、百里香油、铜和锌盐，得到混合物。将混合物分配到凝固容器中，凝固得到恶臭控制(MOC)水凝胶，其包含0.6重量％的亚氯酸钠、1重量％的百里香油、1.7重量％的铜盐、2.1重量％和锌盐以及10重量％的二氧化硅基体，其余成分为水。得到的水凝胶组合物如图4C所示。

[0088] 实施例2

[0089] 用于抑制微生物源气味的控释水凝胶通过连续流动方式制备(图7)，首先相对于反应混合物的总重量，将35.0重量％正硅酸四乙酯(纯度为98％)和0.014M的硝酸水溶液加入连续搅拌(200rpm)罐反应器中进行反应，生成硅溶胶，其中罐反应器带有冷却水循环系统。然后，将该溶胶溶液连续流动到管道中，并且与活性成分在通过管道静态混合器期间混合。将混合物分配到凝固容器中，凝固生成臭味控制(MOC)水凝胶组合物，其含有0.6重量％亚氯酸钠、1重量％百里香油、1.7重量％的铜盐、2.1重量％的锌盐以及10重量％二氧化硅基体，其余成分为水。

[0090] 实施例3

[0091] 如图4所示，通过间歇生产制备用于微生物消毒的控释水凝胶组合物。首先在图4中的反应器中，相对于反应混合物的总重量，加入35.0重量％的正硅酸四乙酯(纯度为98％)和水的混合物并且水解。在快速搅拌(200rpm)下，加入10％(重量)的酸催化剂(即
0.14M的硝酸)引发反应。通过加冰(10重量％)冷却反应，同时还将硅溶胶浓度调整到20重量％以内。然后向反应器中加入包括亚氯酸钠、柠檬酸、铜盐和锌盐在内的微生物消毒剂，并且将得到的混合物分配到凝固容器中便会生产出包含2重量％的亚氯酸钠、1.1重量％的柠檬酸、0.5重量％的铜盐、0.5重量％的锌盐以及10重量％的二氧化硅基体的抗菌(AM)水凝胶组合物，其余成分为水。

[0092] 实施例4

[0093] 用于微生物消毒的控释水凝胶通过连续流动方式制备(图7)，首先相对于反应混合物的总重量，将35％的正硅酸四乙酯(纯度为98％)和0.014M的硝酸水溶液注入连续搅拌(200rpm)罐反应器中进行反应，生成硅溶胶。将该溶胶连续流动到管道中，并且与活性成分在通过管道静态混合器期间混合。将混合物分配到凝固容器中，凝固成抗菌(AM)水凝胶组合物，其含有2重量％的亚氯酸钠、1.1重量％的柠檬酸、0.5重量％的锌盐以及10重量％的二氧化硅基体，其余成分为水。

[0094] 实施例5

[0095] 如图4所示，通过间歇生产制备用于微生物消毒的控释水凝胶组合物。首先在图4中的反应器中，相对于反应混合物的总重量，加入35.0重量％的正硅酸四乙酯(纯度为98％)和水的混合物并且水解。在快速搅拌(200rpm)下，加入10％(重量)的酸性催化剂(即
0.14M的硝酸)引发反应。通过加冰(15重量％)冷却反应，同时还将硅溶胶浓度调整到20重量％以内。然后加入向反应器中亚硝酸钠，并且将得到的混合物分配到凝固容器，便会生产出包含10重量％的亚硝酸钠和20重量％的二氧化硅基体的除臭水凝胶组合物，其余成分为水。

[0096] 实施例6

[0097] 用于除臭的控释水凝胶通过连续流动方式制备(图7)，首先相对于反应混合物的总重量，将35.0重量％的正硅酸四乙酯(纯度为98％)和0.014M的硝酸水溶液注入连续搅拌(200rpm)罐反应器中进行反应，生成硅溶胶，其中罐反应器带有冷却水循环系统。将该溶胶连续流动到管道中，并且该溶胶与活性成分在通过管道静态混合器期间混合。将得到混合物分配到凝固容器中，凝固成包含10重量％的亚硝酸钠和20重量％的二氧化硅组成的除臭水凝胶，其余成分为水。

[0098] 实施例7

[0099] 用于除臭的控释水凝胶通过连续流动方式制备(图7)，首先相对于反应混合物的总重量，将35.0重量％的正硅酸四乙酯(纯度为98％)和0.014M的硝酸水溶液注入连续搅拌(200rpm)罐反应器中进行反应，生成硅溶胶。将该溶胶连续流动到管道中，并且将该溶胶与活性成分通过管道静态混合器混合。如图12所示，将得到混合物挤出不同形状，并且凝固得到除臭水凝胶。该水凝胶包含5重量％的亚硝酸钠和10重量％的二氧化硅，其余成分为水。

[0100] 实施例8

[0101] 基本按照实施例1的方法制备实施例8的凝胶组合物，不同之处在于在加入反应器之前，首先将35.0重量％的正硅酸四乙酯(纯度为98％)和水的混合物在另外的容器之中水解5分钟，然后将预水解的反应物添加到反应器中进行反应。

[0102] 实施例9

[0103] 基本按照实施例2的方法制备实施例9的凝胶组合物，不同之处在于关闭了冷却水循环系统。

[0104] 比较例1

[0105] 如图4所示，通过间歇生产制备用于抑制微生物源气味的控释水凝胶组合物。首先在图4中的反应器中，加入35.0重量％的正硅酸四乙酯和水的混合物并且水解。在快速搅拌(200rpm)下，加入10％(重量)的酸性催化剂(即0.14M的硝酸)引发反应。反应30分钟之后，向反应器中加入微生物消毒剂、代谢抑制剂和除臭剂，包括亚氯酸钠、百里香油、铜和锌盐。结果，反应混合物在反应器中提前发生凝胶化，导致无法包封活性成分，并且不能流动排出反应器之外。

[0106] 测试例

[0107] 1.肉眼观察

[0108] 实施例1‑9得到的凝胶组合物用肉眼观察外观，结果见于下表1中。

[0109] 2.释放测试

[0110] 将100g实施例1到3的水凝胶放置到具有稳定的连续水流190ml/min的容器中，并运行24小时，同时分别在5分钟，4小时，12小时和24小时对水进行采样，再通过ICP‑OES(Varian 725‑ES)分析水中的活性成分例如Cu盐和Zn盐的含量，由此估测其释放速率。结果示于图14以及表1中。

[0111] 表1

[0112]

[0113]

[0114] 从表1的数据可以看出，通过在反应启动之后，控制反应器中的升温幅度不超过20℃，能够防止凝胶组合物在反应器中提前凝固，得到有效包封活性成分的凝胶或者凝胶制品。通过实施例1、2、3以及实施例8可以看出，在将所述凝胶前体混合物加入反应器之前预水解至少5分钟或者在反应器上设置冷却水循环系统的连续生产方法能够更好地控制升温幅度，从而得到活性成分完全包封的凝胶组合物，更好的控制活性成分的释放。

[0115] 对于目前所述的本主题而言，显然可能以多种方法进行相同的修改或变型。此类修改和变型不应视为背离本主题的精神和范围，并且所有此类修改和变型均包括在权利要求的范围之内。