2019年6月14日，在南京召开的2019农药制剂配方技术、生产工艺案例解析研讨班上，陶氏公司亚太技术经理钟玲博士分享了“陶氏包覆及控释技术在农药制剂开发中的应用”。
钟玲博士首先介绍了陶氏公司在包覆技术上的研究进展。陶氏公司一直将创新研究视为发展的原动力，始终致力于新产品、新技术的开发。包覆技术是陶氏公司在农化领域的研发能力的一个很好的体现，陶氏公司持续投入，致力于为全球农化行业提供符合发展趋势和引领技术变革的技术解决方案。
接着，钟玲博士重点介绍了农药领域制备微胶囊常用的界面聚合法，并且指出使用该种方法制备微胶囊需考虑的几个关键的技术参数，最后对陶氏包覆及控释技术的应用以30%毒死蜱CS配方为例做了分享。
包覆及释放技术已被广泛地应用在各个工业领域，包括制药、染料、油墨、香料、食品、农业等。该技术有助于提高活性成分的稳定性，降低毒性和对环境的影响，可实现有效成分的缓慢和可控释放，延长持效期等，被视为提高农药、肥料产品应用性能的新一代配方技术。
界面聚合法
目前在农药领域制备微胶囊的常用方法包括物理法、原位聚合法、界面聚合、相分离聚合等，但是由于微胶囊技术对生产条件和工业化放大技术要求较高，目前尚未在行业中得到广泛普及。其中，界面聚合法是使分别溶解在水相和油相的单体在油水界面反应而制备微胶囊的方法（图1）。制备的微囊的尺寸及粒径分布可控，并且具有生产设备和工艺简单、操作方便等特点，逐渐被农药制剂企业认可。
图1 界面聚合反应示意
使用界面聚合方法制备微胶囊需考虑的关键技术参数
（1）活性成分：以液体或者溶解在液体溶剂中的形式被包覆在微胶囊中。因此，为得到较高包覆率的微胶囊制剂，活性成分需要在溶剂中有较高的溶解度，而在水中的溶解度越低越好。
（2）溶剂：界面聚合方法首先要形成稳定均一的油相，因此溶剂的选择至关重要。适合的溶剂应对有效成分具有较高的溶解能力及相对低的水溶性，以确保有效成分被尽可能多的被保留在油相中，得到较高的包覆率。
（3）乳化剂：用于形成稳定和均匀的水包油乳液。通过改变乳化剂的结构和用量，调整乳液液滴的尺寸和分布，从而实现对最终微胶囊的调控。
（4）分散剂：用于将反应形成的微胶囊颗粒分散在水中，通过空间位阻及静电排斥有效阻止聚合过程中发生微胶囊的聚集、团聚。分散剂也有助于提高配方在贮存过程中的稳定性，减小外界环境对配方的影响。
（5）聚合单体：目前广泛使用的聚合单体是以异氰酸酯和多胺为主的反应单体。选择异氰酸酯单体时，单体自身的毒性需要受到关注。
传统的TDI/MDI属于高毒的反应单体，对生产操作及安全带来一定的难度和风险。钟玲博士指出陶氏公司提供一系列寡聚的MDI产品，有效降低了单体毒性，提高生产操作的安全性。另外，为保证异氰酸酯基团反应完全，在选择多胺添加量时，可适当超过所需反应的添加量。值得一提的是，包覆技术是一个复杂的反应过程，上述每个参数都会对其它参数的选择产生影响，因此要综合考虑配方需求，选择适合的产品。
陶氏包覆及控释技术的应用
陶氏公司在过去几年的实践中，已建立了包覆技术研发平台，通过提供溶剂、乳化剂、分散剂，以及异氰酸酯和多胺单体，为农药微胶囊配方的开发提供了完备的技术方案。钟玲博士以30%毒死蜱CS配方为例，介绍界面聚合制备微胶囊的过程和表征方法。
毒死蜱是目前广泛使用的非内吸性的广谱杀虫、杀螨剂，对光敏感，在阳光照射下仅有5～7天的持效期。毒死蜱第二个弱点就是对敏感作物会出现药害，比如瓜类、叶菜类甚至一些根茎类蔬菜，安全性较低。基于以上问题，考虑采用微胶囊技术，将毒死蜱包覆起来制备成微胶囊悬浮剂，以降低毒死蜱的降解及提高对作物的安全性。
毒死蜱在水中的溶解度度较低（1.4 mg/L，20℃～25℃）而在芳香烃溶剂中有很好的溶解性（苯中溶解度为6.9 g/L，甲苯中为4.3 g/L，20℃～25℃），符合前文提到的采用界面聚合方法制备微胶囊的基本要求。
钟玲博士列举了两个毒死蜱微胶囊悬浮剂的配方实例（表1）。反应流程为：（1）将毒死蜱原药溶解在100#溶剂油中，加入寡聚MDI PAPI™ 27单体形成溶剂相；（2）ECOSURF™ EH-9乳化剂，POWERBLOX™ D-305分散剂溶解在水中形成水相；（3）在连续的高速搅拌下，将溶剂相加入水相形成均一的水包油乳液；（4）搅拌，将10%的乙二胺水溶液缓慢加入上述乳液中，反应生成聚合物微胶囊。
将得到的微胶囊悬浮剂样品通过激光粒度仪统计尺寸（表1），配方1的粒径D50和D90分别为4 μm和7 μm；配方2中D50和D90分别为2 μm和4 μm。配方1和2的差别在乳化剂EH-9的含量。配方1中EH-9为3.0%，而配方2中为6.0%，因此可以推断乳化剂的用量对微胶囊的粒径有明显的影响，随着乳化剂用量的增加，得到的微胶囊尺寸减小。根据界面聚合的机理，微胶囊的尺寸主要取决于形成水包油乳液时乳液液滴的尺寸。众所周知，乳化剂的种类和添加量对乳液的形成至关重要。当乳化剂用量较低时，形成的乳液液滴尺寸偏大，进而最终得到相对较大的微胶囊。随着乳化剂用量的提高，形成的乳液液滴变小，得到尺寸更小的微胶囊。
表1 30%毒死蜱CS配方
形成的微胶囊还可以采用其它多种手段，如光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜等，表征其形貌、统计尺寸分布、测量囊皮厚度等。其中光学显微镜是较为简便直观的方法用于观察微胶囊的形貌。
制备的微胶囊悬浮剂在水稀释后，在光学显微镜下呈现均匀的球状形貌，证明微胶囊的形成（图1左）。球状结构的尺寸在2～10 μm，与激光粒度仪的测试结果较为匹配。另一方面，将微胶囊悬浮剂的样品滴在载玻片后，干燥数分钟，球状结构表面呈现塌陷结构（图1右），可能是由于随水分挥发微胶囊内外的压差引起的。此外，随着水分的挥发，未被包覆的活性成分在干燥的条件下容易形成特定的有序结构，但是在光学显微镜下，除表面塌陷的球状形貌以外，并没有观察到其它有序结构的出现（图1右），证明毒死蜱原药主要被包覆在胶囊内。
图2 配方1的光学显微镜照片
(左图为湿态时的照片, 右图为干燥后的照片)
为进一步确认包覆效果，对两个配方样品进行了包覆率的测试。首先将制备的样品进行离心，将上层清液和下层分离。在分离的下层中加入甲醇反复溶洗，通过高效液相色谱（HPLC）测试有效成分含量，再与加入的有效成分作对比，得到包覆率。理化性质的测试结果（表2）表明，两个样品的包覆率都高于95%。将样品分别在54℃贮存2周和0℃度贮存1周，样品保持了均一的外观和较好的流动性。用上述同样的测试方法测试包覆率时，实验结果表明贮存后样品仍能保持较高的包覆效果，有效含量的损失＜0.5%。此外，将两个样品用342 µg/g的标准硬水稀释200倍，在30℃放置1小时后，未观察到沉淀或者浮膏的出现，表明样品具有较好的分散性能。
表2 配方1及配方2性能测试总结
综上所述，以寡聚MDI和乙二胺为囊皮材料的界面聚合方法，是制备微胶囊悬浮剂的有效手段。
最后，钟玲博士指出通过调节乳化剂的含量及种类，可实现对微胶囊的尺寸及粒径分布的进行调控。所制备的配方具有理想的贮存、化学稳定性及稀释性能。除市场上常见的微胶囊产品外，陶氏公司针对微胶囊技术中的一系列难点问题，如高水溶性原药、低溶解度原药的微胶囊制备上，也开发了相应的技术方案。
陶氏公司亚太技术经理钟玲博士
（来源：钟玲博士，《现代农药》《农药快讯》翁德民整理）
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