农药剂型博客

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华乃震

南通农药剂型开发中心，226006　

　　0前言

　　不溶于水而溶于有机溶剂的农药活性成分，在乳化剂的存在下可加工成乳油。目前我国农药销售市场中仍然是以乳油为主，约占60%，每年加工乳油使用的有机溶剂（主要是二甲苯）30万t左右。这些有机溶剂易燃易爆有毒，不仅严重污染环境，对人类和动物构成直接危害，而且还耗费大量资金和资源。近年来，随着全球面临环保压力不断增加和许多国家环保部门对农药的安全性和环保制定出更加严厉的法规，迫使人们开发安全、环保型的农药新剂型，其中（O/W乳液）水乳剂（EW）代替易燃易爆有毒的油基制剂乳油，正成为国际上农药制剂发展的方向。

　　现今，对（O/W乳液）水乳剂不断增加兴趣和注意是因为它只使用少量或甚至不用有机溶剂，它是用水来代替乳油中有机溶剂作为介质，是一种水基性制剂。因此它比乳油更安全，使用时无刺激性和对人的皮肤毒性非常小，是一种代替乳油的优良环保型农药新剂型。上世纪80年代，国外已有开发研制（O/W乳液）水乳剂资料和专利的报导，到上世纪90年代初，已有部分商品化的水乳剂产品，如2.5%功夫菊酯EW(cyhalothrin)，6.9%骠马EW(fenoxaprop-p-ethyl)，氰戊菊酯EW(fenvalerate)。

　　近年来，水乳剂在国外的发展很快，已有数十个品种商品化，例如戊唑醇、戊菌唑、硫线磷、唑蚜威、苯草醚、精唑禾草灵等品种。特别是在英国发展尤为迅速，1993年EW剂型仅占农药市场不到1%，而5年后即1998年其比例已增加到5%[1]。我国从上世纪90年代初开始研制EW剂型，并已开发出如4.5%高效氯氰菊酯EW、10%氯氰菊酯稳定性EW、10%氰戊菊酯EW及卫生用药10%强力克EW和5%吉舒EW等品种。目前正处在开发阶段，无论在品种和数量上在农药市场中占的比例是微不足道的，只要今后加大研究开发力量和资金投入，必然会获得迅速发展。

　　1水乳剂的基本特性

　　乳（状）液是一种或几种液体以液珠形式均匀地分散在另一种不相溶的液体中，构成具有相当稳定性的多相分散体系。两种不相溶的纯液体不能形成较稳定的乳液，必须要有另一种乳化剂成分（表面活性剂）存在而起稳定作用。乳液有两相，一相是被分散相（或称内相，不连续相）；另一相是连成一片的，称为分散介质（或称外相，连续相）。乳液可分成两类，外相为水、内相为油的乳液称为水包油型乳液（以O/W表示），反之称为油包水型乳液（以W/O表示），农药水乳剂即为水包油型乳液。

　　1.1水乳剂与微乳剂的差别

　　水乳剂与微乳剂广义地说都属于O/W乳液的范畴，它们都是通过表面活性剂（即乳化剂）的作用形成O/W乳液。其最大不同是水乳剂属于热力学上不稳定的分散体系，而微乳剂属于热力学上稳定的分散体系。一般，乳液的外观与分散相液滴大小有密切关系[4]。根据经验，可把它们的关系列于表1。

　　通常分散相液滴的直径在0.1~10μm范围，而且乳液的液滴直径很少小于0.25μm。根据分散相液滴大小可将乳液分成三类：

　　（1）粗乳液（macroemulsions）：液滴直径＞0.4μm（400nm），在光学显微镜可观测到液滴形状和大小，呈蓝白至乳白色，通常称为乳状液或乳液。

　　（2）微乳液（microemulsions）：液滴直径＜0.1μm（100nm），呈半透明或透明的液体。

　　（3）微细乳液（miniemulsions）：液滴直径介于上述两种类型之间，0.1~0.4μm（100~400nm）是蓝白色液体。

　　1.2水乳剂的特征

　　水乳剂是O/W乳液（国际代码EW）。它是指用水作为介质代替大部分或全部有机溶剂，通过向体系提供机械能（如高剪切和均质等），在表面活性剂（即乳化剂）的作用下，制得液滴直径低于2μm外观呈乳白色、用水稀释时与乳油（EC）倒入水中形成的外观并无不同的液体制剂[5]，也有称为浓乳剂CE（concentrationemulsions）。

　　EW与EC相比主要优点是：

　　（1）去除全部或大部分（挥发性）有机溶剂避免易燃易爆问题的产生。

　　（2）用水代替有机溶剂作为介质，降低环境污染，节省成本。

　　（3）无溶剂气味，对眼无刺激性，对人的皮肤毒性非常低。

　　（4）低的毒性。

　　（5）制造和使用时安全。

　　（6）低的加工成本。

　　（7）包装、贮存和运输费用低。

　　（8）易稀释和与掺入的水基性流动的活性成分相溶性好。

　　（9）可以用来制备悬乳剂（SE）。

　　主要缺点是：

　　（1）开发难度大，开发时间长。

　　（2）难以稳定（内在不稳定）。

　　（3）要高剪切和均质等专用设备。

　　（4）通常有相当或稍低的药效。

　　2水乳剂的基本组成

　　一种典型的水乳剂基本组成（g/L计）是：

　　活性成分40~600；

　　表面活性剂（乳化剂）20~60；

　　消泡剂1~2；

　　抗冻剂0~80；

　　增稠剂1~30；

　　抗微生物剂0~2；

　　水加到1L；

　　根据需要可以添加别的其他组分。

　　一般对农药活性成分的要求是：

　　（1）活性成分在水中有低的溶解度，一般在0~40℃条件下应低于200mg/L。

　　（2）活性成分在化学上是稳定的（如在水中不分解）。

　　（3）活性成分是液体或低熔点的（一般熔点＜60℃）最适合制备EW。

　　当然，对上述要求并非绝对的，水乳剂对液体的活性成分当然是最合适的，它完全可以不使用任何（挥发性）有机溶剂。但是对低熔点的活性成分也是适合的，可是不可能在流动的低熔点状态，少量的溶剂加入是必须的，以得到该活性成分的溶液才能加工。实际上对有的活性成分，如精恶唑禾草灵（fenoxaprop-p-ethyl）熔点是84~85℃，也已加

　　工成骠马（Puma）水乳剂。选择一种溶剂或溶剂体系的依据是：

　　（1）对活性成分有良好的溶剂性质。

　　（2）溶剂应该不溶于水（或在水中溶解度＜0.1%），得到的溶液在生产和产品贮藏期间的所有温度下是稳定的（没有结晶）。

　　（3）高的闪点，以保持EW安全的优点。

　　3水乳剂的物理稳定性

　　为了保证EW剂型产品质量和一定的货架寿命，必须了解和解决EW剂型长期贮存期间的物理稳定性问题，它是制约开发和生产EW剂型的主要难题。

　　3.1EW剂型中存在不稳定形式[6-10]

　　3.1.1分层或沉降（creamingorsedimentation）

　　EW剂型中，由于油相和水相的密度不同，在重力作用下液滴将上浮或下沉，在剂型中建立起平衡的液滴浓度梯度，这种过程称为分层或沉降。虽然分层可使剂型的均匀性受到破坏，可是并不是真正被破坏，往往液滴密集地排列在剂型中，可分成两层，其界限可以是渐变的或明显的。一般情况下液滴大小和分布没有明显的改变，只不过建立起平衡的液滴浓度梯度。

　　3.1.2絮凝（flocculation）[8,10]

　　EW剂型中，分散相液滴聚集成团，形成三维的液滴簇，称为絮凝物（flocs），这种过程称为絮凝一般情况下，絮凝物中液滴大小和分布没有明显的变化，不会发生液滴的聚结，液滴仍保持其原有特性。絮凝是由于液滴之间的吸引力引起的，这种力往往较弱，搅动可使絮凝物分开；可存在一种絮凝的平衡，并建立起絮凝物大小和分布，因而絮凝也是一种可逆的过程。

　　3.1.3聚结（coalescence）

　　EW剂型中，当二个液滴相遇接触时，液滴之间形成薄的液膜或滑动的夹层（lamella），膜的某些部位受外界条件影响，液膜厚度发生变动，某些区域变薄，然后液膜会破坏，形成较大的液滴，这种过程称为聚结。聚结是一种不可逆的过程，会导致液滴变大，液滴数量减少，改变液滴大小和分布，最终极限的情况是完全破乳。

　　3.1.4破乳（deemulsificationorbreakdown）

　　因为EW剂型是热力学上不稳定的分散体系，破乳是聚结的极限的情况，最终达到热力学上稳定的平衡是油水分离，破乳是必然的结果。

　　3.1.5奥氏熟化（Ostwaldripening）[6,8]

　　EW剂型属于不稳定的体系，在很长时间内可以保持稳定，随着时间推移，会表现出液滴大小和分布朝着较大的液滴方向移动。这种依靠消耗小液滴形成较大的液滴的过程称为奥氏熟化。它是因液滴大小与溶解度不同而引起的（即Kelvin效应）液滴直径越小，它们在介质中的溶解度越大。

　　上述分层或沉降、絮凝、聚结和奥氏熟化的过程，在实际上可以同时发生或依次出现，这将决定于EW剂型在贮存条件下上述四种基本过程的相对速度常数。

　　3.2EW剂型的稳定

　　3.2.1使用增稠剂

　　分层或沉降是由于液滴和水相的密度不同而引起的。对球形的液滴其扩展系数D随EW剂型粘度增加而下降。对球形的液滴其沉降速度V按经典的tokes公式[11]可知：它与液滴直径平方以及两相的密度差成正比，同时与EW剂型粘度成反比。据上所述，加入增稠剂可使剂型粘度增大，扩散系数减小，液滴碰撞频率和聚结速度下降，这有利于EW剂型的稳定。可用的增稠剂有明胶、羧甲基纤维素纳、羟乙基纤维素、改性淀粉、黄原胶和聚乙烯醇等。

　　3.2.2加入表面活性剂

　　表面活性剂的作用是：

　　（1）降低表面张力，使分散体系的势能下降。

　　（2）在界面上形成韧性或高粘度的界面膜，防止或阻碍由于布朗运动、热运动和机械搅拌引起的液滴碰撞而诱发的液滴聚结。

　　（3）离子型表面活性剂带有电荷时，使液滴表面带电，形成双电层，提供电斥力，减少液滴接触而聚结[12]。

　　（4）非离子型表面活性剂或聚合物分子吸附在液滴界面上，起位阻稳定作用(StericStabilization，亦可称为空间稳定作用)[13,14,15]，即形成的液滴界面吸附层阻止液滴之间的絮凝和聚结，使EW剂型稳定。

　　实际上，如何选择合适的表面活性剂已成为使W剂型稳定的关键问题。有效的表面活性剂要求强烈地吸附或溶解在O/W界面上，通过强的斥力静电和位阻）阻止絮凝和聚结，以便平衡吸力（范德瓦力）。一种表面活性剂体系的选择依赖于油被乳化的极性，油相和表面活性剂体系之间产生的相互作用和连续相的性质。可是对表面活性剂体系的选择也难于提出规则，因此一般地选用EC的乳化剂，而专用表面活性剂一般地用来开发常用的乳化剂难以开发的剂型或者得到高性能的剂型。可用的表面活性剂有：聚氧乙烯烷基酚类，聚氧乙烯烷芳基酚类，聚氧乙烯脂肪醇类，山梨（醣）醇酯类，EO/PO烷基酚类和EO/PO蓖麻油类等乳化剂。本人曾开发过表面活性剂（专用乳化剂），使用在菊酯类农药的

　　W剂型上是较为成功的[3]。

　　EW剂型的制备

　　EW剂型的制备方法与其他剂型相比比较简单，油相、表面活性剂与水相混合，在高能量作用下加工成液滴直径在2μm以下，平均液滴直径在1μm以下，再配以其他助剂即成。

　　制备EW剂型的主要要点：

　　（1）在制备EW剂型时，高能量（即高剪切搅拌器和均质器）加入是必需的[3]。因为在任何情况下，液滴必需先行变才被破裂。当两相界面的两侧有压力差时，界面将是弯曲的，界面张力γ的弯曲界面凹面的一侧压强比凸面的一侧高。将热力学的概念用于该界面，可导出压强差与界面曲率之间的关系，此压强差（ρP）称为Laplace压强，它与界

　　面曲率半径的关系称为Laplace公式：

　　ρP=γ（1/R1+1/R2）=2γ/R

　　式中R1和R2是曲面的主要凹面曲率半径，对R的球型液滴，上式变为2γ/R。Laplace压强是对抗界面行变的，液滴的任何行变都会导致Laplace压强的增加。为了使液滴破裂，应在R距离内必需加外力对抗Laplace压强。这意味着要有超过2γ/R数量级的压强梯度。另外，周围的液体产生的粘滞应力亦可使液滴行变，粘滞应力G?克服Laplace压强，它与Laplace压强应是同一数量级。G为速度梯度，为粘度。高剪切搅拌可产生所需的压强梯度，液滴越小，高剪切搅拌越强。产生粗乳液需要克服高的Laplace压强，假设粘度为1mPas，在该情况下，Laplace压强梯度约2×1010Pam-1，或约107s-1的速度梯度。这样的条件只有十分强烈的搅拌才能达到。搅拌的强度，即单位时间和单位体积内耗费的机械能(单位体积净功率输入)，在R=1μm，γ=0.01Nm-1，

　　=1mPas，此例能量密度数量级为1010Wm-3，即足以在0.03s内将粗乳液加热至沸腾，成本是昂贵的。显然这样大的能量密度只能在局部和短时间内产生，在实际中较难做到。这些能量除了小部分是表面自由能需要的外，主要耗散成热能。

　　（2）用油相对水相的密度相配（最小的分层和沉降），可是在实际中是难以做到的，因为密度随温度而改变。同时这就限制活性成分在EW剂型中是低的水平。

　　（3）制备具有窄的液滴直径分布的乳液，这是因为一种单分散的乳液将很少有奥氏熟化，和明显地窄的液径分布在加工时可以做到的。

　　（4）选用最好的表面活性剂提供静电和位阻稳定，阻止絮凝和聚结。

　　（5）提供最好的增稠剂和胶体稳定剂，减少分层和沉降。

　　（6）采用在液—液表面上吸附固体粒子来稳定，称为Pickering乳液。

　　加工时除了可以使用激光衍射粒度分布仪来测定液滴直径以预测稳定性之外，仍要求做整个范围内长期贮存试验，以保证包装出售产品在通常条件下没有不可逆聚结和油水分离。

　　5EW剂型的商品化产品