水分散粒剂理论与配方研究

水分散粒剂理论与配方研究
吴学民 徐妍
（中国农业大学）
1 概述
目前，在一定限度内，粉剂、可湿性粉剂、乳油、粒剂仍是发展中国家的主要剂型，仍被广泛的应用。

但是，这些剂型的使用已引起人们关注使用者和环境安全问题，包括粉剂使用时的飘移危害问题，田间条件下可湿性粉剂的接触和呼吸毒性问题，乳油的易燃问题和使用时芳烃溶剂对皮肤的接触毒性问题等。

因此，法规要制定关于农药安全使用的高标准；开发新农药的费用在不断上升，迫使要找到有最佳生物活性的单位面积使用量；关于农药作用方式和靶标认识的提高致使高效、环境亲和、使用安全、施药方便成为农药制剂发展的方向。

水分散粒剂（water dispersible granules，简写WG）是20世纪80年代初在欧美发展起来的一种农药新剂型，也称干悬浮剂，国际农药工业协会联合会(GIFAR)将其定义为：在水中崩解和分散后使用的颗粒剂。

我国国标中将其定义为：水分散粒剂是加水后能迅速崩解并分散成悬浮液的粒状制剂。

入水后，能较快地崩解、分散，形成高悬浮的分散体系。

自1979年瑞士气巴嘉基公司开发出90％莠去津WG以来，杜邦和英国ICI公司等相继开发出75％绿磺隆、75％苯磺隆、20％醚磺隆、90％敌草隆、20％扑灭津、80％敌菌丹、80％灭菌丹等WG产品。

目前，国外公司在我国登记的WG品种仍然有135种。

国内WG近些年来发展也非常迅速，已登记产品645个，多个产品已申请专利，包括阿菊复配水分散粒剂，印楝素水分散粒剂，甲氨基阿维菌素苯甲酸盐水分散粒剂等。

水分散粒剂主要有以下优点：
①与乳油相比，不含有机溶剂， 减少了在生产过程中对生产工人和在喷雾使用时对使用者的危害；
②与可湿性粉剂相比，WG产品无粉尘飞扬，润湿性好，可自由流动，易计量，田间应用方便，减轻对环境的污染；③与悬浮剂相比，一些在水中不稳定的原药，制成WG效果较SC好；④有效成分含量高，WG大多数品种含量为80％～90％，易计量，运输，贮存方便；⑤入水易崩解，分散性好，悬浮率高，再悬浮性好；
⑥可使用廉价的、用完可丢弃的包装袋。

纤维板和纸均可用于包装WG，避免了塑料和锡袋等较贵而又不易降解的材料的使用。

2 水分散粒剂的造粒方法
水分散粒剂的加工过程要比其它制剂的加工过程更特殊化。

乳油和水剂通过简单的混合就可以制成，可湿性粉剂只要有粉碎机即可。

悬浮剂由于有一个湿磨的过程而较复杂，但它在不改变工艺流程的情况下有许多的设备可以选用。

水分散粒剂的情况则不一样，它的造粒过程特殊，而且一般不能在不改变工艺流程的情况下从一种造粒技术转用另一种造粒技术。

2.1 流化床造粒
流化床造粒是将物料混合，造粒，干燥于一体，一步完成造粒的过程，所以也称为一步造粒，其原理是经过气流粉碎的物料粉末粒子，在原料容器（流化床）中呈环形流化状态，受到经过净化后的加热空气预热和混合，将粘合剂溶液雾化喷入，使若干粒子聚集成含有粘合剂的团粒，由于热空气对物料的不断干燥，使团粒中水分蒸发，粘合剂凝固，此过程不断重复进行，形成理想的、均匀的多微孔球状颗粒。

2.2 喷雾造粒
喷雾造粒是液体工艺成形和干燥工业中应用最广泛的工艺。

适用于从溶液、乳液、悬浮液和糊状液体原料中生成粉状、颗粒状固体产品。

因此，当成品的颗粒大小分布、残留水分含量、堆积密度和颗粒形状必须符合精确的标准时，喷雾造粒是一道十分理想的工艺。

其工作原理是空气经过滤加热，进入干燥器顶部空气分配器，热空气呈螺旋状均匀地进入干燥室。

料液经塔体顶部的高速离心雾化器，喷雾成极细微的雾状液珠，与热空气并流接触在极短的时间内可干燥为成品。

成品连续地由干燥塔底部和旋风分离器中输出，废气由风机排空。

2.3 转盘造粒
目前在国际市场销售的水分散粒剂多数都用此法生产。

转盘造粒一般分为两个工序，首先将原药、助剂、辅助剂等制成超细可湿粉剂，然后向倾斜的旋转盘中，边加可湿粉剂，边喷带有黏结剂的水溶液进行造粒（也有的粘结剂事先加入可湿性粉剂中）。

造粒过程分为核生成，核成长和核形成阶段，最后经干燥，筛分可得水分散粒剂产品。

2.4 挤压造粒
首先制造超细可湿性粉剂，与转盘造粒前步相同，然后将可湿性粉剂与定量的水（或带有粘结剂），同时加入捏合机中捏合，制成可塑性的物料，其中水分含量在15％～20％，最后将此物料送进挤压造粒机，进行造粒，通过干燥，筛分得到水分散粒剂产品。

2.5 高强度混合造粒
美国苏吉公司认为喷雾造粒、转盘造粒等方法还有不足之处，如有粉尘、生产能力低、操作不易自动控制，因此提出了制造WDG的最新方法－高强度混合造粒法。

它的基本设备是一个垂直安装的橡胶管，橡胶管中间装有垂直同心的高速搅拌器，搅拌轴上有一定数量的可调搅拌叶片，就像透平机一样，胶管内还装有一套能上下移动的设备，对橡胶管做类似按摩的动作。

根据配方要求，将配好、研细的WDG的粉料加入管子，粉料经搅拌器的作用在管内流动，水喷在流动的粉料上，由搅拌叶子产生高速剪切力造成粉粒极大的湍流，滚在一起形成小球粒，有一些粉料被甩到管壁并附着在那里，但管壁的柔性蠕动装置可使刚粘上的物料立即掉下，搅拌叶片将壁上掉下来的薄片打成碎粒，加入的粉料和水碰上碎粒时，碎粒起晶核的作用，团聚成较大的颗粒，干燥后得水分散粒剂。

团粒的大小可用成粒机主轴的转速、装在该主轴上的叶片的迎击角以及所加液体的数量等因素加以控制。

其工艺流程与其他方法大同小异。

3 水分散粒剂的配方研究
3.1 配方研究中的基础理论
3.1.1 粉体的颗粒化机制
就粉体的颗粒化过程而言，主要有以下5种可能的机制。

（1）固体架桥：升温时，在接触点上，由于固体架桥分子从一个颗粒向另一个颗粒扩散而得到发展。

热可从外界引入，而次生热由聚结时的摩擦以及能量转换产生。

（2）液体架桥：在液体架桥中，界面力和毛细管压强可产生强结合作用，液体架桥剂包括自由移动表面处的界面力和毛细管压强，但如果液体蒸发而又无其他结合方式参与，则此种结合会消失。

（3）结合剂架桥：其靠的是不可自由移动的结合剂中的黏附力和内聚力。

高黏度结合介质如高分子溶液或液体能形成和固体架桥非常相似的结合能力，其吸附层是固定的并在某些环境下能促进细粉粒的结合。

（4）固体粒子间吸引力：如果固体粉粒相距足够近，则静电力或磁力，以及如范德华力等典型的短程力，可以使颗粒黏附在一起，颗粒尺寸变小，会明显地促进这个过程。

（5）封闭型结合：纤维、小片状细粒或松散料，可相互交叉或重叠而形成“封闭型”结合。

上述机制类型中最多的是原始粒子之间存在架桥物的固体架桥团聚颗粒化机制，还有粒子间吸引力导致的颗粒化。

由于颗粒长大方式的机理不同，产品的物理性质也有所不同。

3.1.2 架桥团聚颗粒化过程
粉粒间的液体交连架桥多见于湿法制粒和沸腾制粒以及流化床喷雾制粒过程，其中粉体被液体包裹或因吸附液体架桥结合而成核并长大。

Schafer和Mathiesen（1996）就粉体的团聚颗粒化提出两种不同的形成机理，一是分布机理，黏合剂是分布在粉体粒子表面的，核的形成是通过黏合剂润湿的粒子间的合并而实现的，见图1-1（a.3）液体架桥模型；另一是包埋机理，当粉体颗粒被黏合剂微滴捕获的或浸没的时候，形成粉体团聚的核，见图1-1（a.2）的吸附层模型。

当黏合剂徽清的尺度大于粉体颗粒尺寸时，团聚机理主要倾向包埋机制。

小的起始黏合颗粒、低的黏合剂黏度和／或较高的搅拌速率下的团聚机理将是分布机理，反之，则符合包埋机制。

但是，如果团囊性太弱而无力抵抗混合器的冲击与剪切的话，随着合并颗粒的生长会同时出现团聚体的显著破裂。

粉体团聚形成和增长的机制主要是靠粉体颗粒大小和黏合剂之间的作用。

对小颗粒和黏性低的黏合剂来说，粉体团聚的主导机理是通过粒子之间的合并而实现核的形成。

当黏合剂黏性变得很强时，粉体颗粒将会包埋在黏合剂液滴中，此时包埋机制将占主导地位，粉体团聚的生长将会在粉体的表面继续进行。

团聚体的强度因较小的粉体粒径、较高的黏合剂黏度以及团聚体的增浓作用而提高。

通常粉体团聚的两种机理是同时存在于同一制粒过程中的，并且，在药物制粒过程中，图1-1中4种结合机制也不是单一发挥作用的。

如生物制品等的冻干粉针的支架剂甘露醇具有固体架桥剂，但其形成过程必须借助水等使其能够溶解的液体小分子。

淀粉及其衍生物，纤维裹的衍生物，聚维酮和聚丙烯酸等天然、半合成及合成高聚物的水溶液，乙醇溶液或乙醇水混合溶剂形成水溶液等，其中高聚物是起黏合作用的，但是水或乙醇也改变了粉体间的表面张力。

并且，乙醇等的液体在药物制剂过程中，除了作为临时的架桥剂外，还因对某些药物有溶解或助溶作用，实现药物颗粒表面分干的扩散渗透，在乙醇等挥发后沉积包裹、晶粒增大或生成共晶而使粉体结合并颗粒化。

在制粒过程中药物混料还可能因水分子的存在而使得其中无水物变成水合物，甚至改变药物的晶型，这些变化也会加强颗粒之间的扩散与渗透，从而提高颗粒之间的黏合。

如果所用粉体是大颗粒，必须加入高黏性黏合剂以达到一定的团聚力来阻止团聚体的破裂。

颗粒成核的关键因素是粉体颗粒的大小，太小的粉体颗粒会导致过大的团聚，同时由于比可控的团聚生长导致团聚粒径分布较宽。

太大的粉体颗粒将会导致粒径范围较宽，同时由于外力的破坏使得团聚外形不均匀。

为了成核，当粉体颗粒小和有黏性时可选择低黏性黏合剂，只有当大的粉体颗粒时才选择高黏性黏合剂。

3.2 崩解机制
在固体制剂中崩解剂是很重要的成分，但是它们的作用机制至今尚未被完全阐明。

目前能有效解释崩解过程的机制包括毛细管作用、膨胀作用、变形回复、排斥作用以及润湿热。

虽然单一的机制不能完全解释崩解剂的复杂行为。

然而，这些机制在很多方面能够使我们更好地了解崩解作用。

3.2.1 毛细管作用
一种有效的崩解剂能够将水拉入水分散粒剂的空隙内。

对于交联聚维酮，毛细管作用被认为是其主要的崩解机制．Kornblum和Stoopak研究发现交联聚维酮膨胀程度很小，而且迅速吸水。

即便是广泛膨胀的羧甲基淀粉钠，当改造结构提高其吸水性后也能显示增强的崩解能力，这一研究被Rudnic等证实。

毛细管作用不像膨胀作用那样需要通过体积的增大产生崩解力。

系统吸水能力可以用Washburn方程来概括：
r t L )2cos (2
ηθλ= Washburn方程太简单，不能应用于动态的水分散粒剂崩解过程，但是它能够说明表面张力(γ)、孔径(r)、固液接触角(θ)以及液体黏度(η)的任何变化都能改变水分的渗透率（L＝毛细管中水渗透长度；t=时间）。

例如，Rudnic等在评价不同粒径的交联聚维酮崩解效率时发现那些具有大粒径范围（50～300µm）的交联聚维酮崩解时间很短。

大的粒径很可能会产生大的孔径并能改变孔的形状。

事实上，由于大的粒径而导致的长纤维可能会提高毛细管摄水进入制剂基质的效率。

与传统淀粉相比，崩解剂能够以较大的速率将水引入基质中。

Van Kamp等使用一种水吸收测量仪，发现像羧甲基淀粉钠那样吸水能力很强的制剂很快就能崩解。

3.2.2 膨胀作用
尽管水分的渗透对于崩解来说是首要环节，然而膨胀作用很可能是最广泛被接受的水分散粒剂
图1-1 粉体结合机制示意图
崩解机制。

实际上，大多数崩解剂都有一定程度的膨胀，但它们之间膨胀性质上的差异会使得该机制不能成为合理的唯一机制。

最早用来测量膨胀程度的方法是测量沉降体积。

Nogami等开发了一种用于测量膨胀辜和吸水能力的可靠方法，Gissinger和Stalm改进了该装置并给出某些崩解剂膨胀率与崩解作用的相关性。

后来，List和Muazzam利用该装置并运用力和传感器测量了膨胀率和膨胀力．他们发现能够产生大膨胀力的崩解剂一般会更有效。

由于膨胀被认为是一种有效的崩解机制，那么在膨胀过程中一定会存在一种超微结构。

崩解剂的膨胀将会产生膨胀力。

制剂中如果具有大的空隙将会缓解膨胀作用，进而削弱崩解剂的作用。

但是，若膨胀作用不能迅速发生，则容易通过塑性形变产生形变的基质只能使崩解剂部分膨胀。

另外，当Caramella等评价不同崩解剂的膨胀能力时发现，最大崩解力与粒子膨胀百分数之间没有关系。

因为他们确实发现崩解力的产生与崩解时间存在一定的关系，所以作者认为崩解力的产生速率是决定性的因素。

膨胀力的产生如果慢的话，水分散粒剂就有可能不发生键的断裂而会使应力得到缓解，因此产生快速膨胀力是人们所希望的。

3.2.3 变形恢复
所谓变形恢复，理沦上是指崩解剂粒子在压缩时发生形变，当其遇湿后能够恢复到原来的形状，从而造成水分散粒剂的崩解。

对于形变及形变恢复这一崩解机制的研究还不完全。

然而，对于那些很少能产生膨胀作用的诸如交联聚维酮和淀粉那样的崩解剂来说，这种崩解机制会成为崩解剂作用的重要作用机制。

这种崩解剂的崩解能力可能取决于崩解剂的相对屈服强度以及所用辅料的相对屈服强度，因为崩解性能依赖于崩解剂颗粒承受多大的形变。

而且，在水分散粒剂放置过程中时间依赖性应力松弛可能是颗粒间黏结剂不能保持形变的因素，因为由崩解剂引起的形变会随着基质的松弛逐渐恢复。

3.2.4 排斥理论
Ringard和Guyot-Herman提出一种粒子间排斥理论，这种理论用于解释那些虽不具备好的膨胀能力但能够对水分散粒剂的崩解发挥作用的崩解剂，如淀粉。

按照该理论，水通过亲水孔道渗透进颗粒，且连续的淀粉网状物能将水分从一个粒子输送至下一个粒子，从而产生重要的流体静压力。

然后水由于锭粉表面的亲和力而渗透进淀粉颗粒间，从而破坏了氢犍和其他维持颗粒结构的力。

目前，这一理论还没有足够的数据支持。

3.2.5 润湿热
Matsumara发现淀粉粒子遇湿后能够轻微地放热，导致水分散粒剂中残留的空气膨胀而产生局部压力。

不幸的是，如果这种解释合理，将只限于很少一些物质，如硅酸铝和高岭石。

List和Muazzam 发现并不是所有的崩解剂都会产生润湿热，即便能够产生很大的润湿热，崩解时间也不一定缩短。

Caramella等发现在一些配方中，即便温度升高引起空气膨胀，内部也不会产生很大的应力。

因此，他们认为，由润湿热导致孔中空气膨胀这—解释还不能得到数据证明。

3.3 配方研究的组成成分
水分散粒剂的组成成分对于特定的生产流程是没有影响的。

下面是它的主要的组成：
（1）活性成分：可以有一种或一种以上的活性成分。

（2）分散剂：大多数为表面活性剂。

（3）助悬剂：可以是表面活性剂、无机物或有机溶胀剂。

（4）润湿剂：主要是表面活性剂。

（5）粘结剂：通常是木素磺酸盐类，也可以是树胶或其类似物等。

（6）填料：通常是矿物质，也可以是惰性的可溶性盐类。

可以看出，水分散粒剂的组成成分和可湿性粉剂非常相似。

这些成分的作用是很明显的，除了
粘结剂以外，其它的成分所发挥的作用和在可湿性粉剂中是一样的，因为水分散粒剂和可湿性粉剂的使用方法一致。

它的悬浮率和润湿性比可湿性粉剂更好或者基本相同。

3.4 水分散粒剂配方研究中理化指标的测试
随着水分散粒剂的不断发展，开发的各个阶段都要求有一些检测方法可以检测相关的性质。

检测的目的随着特定的开发阶段而不同，检测方法比质量控制的方法更具探索性。

前者要求产品满足最终使用的需要，而后者只要求保证生产出的产品符合标准。

检测可以分为三个阶段：
3.4.1 制剂开发阶段的检测方法
这个阶段的检测方法的选择必须依据两个主要原则：1）产品最终使用的要求；2）生产过程中的主要参数。

（1）颗粒的分散性
CIPAC MT 174标准方法可用于水分散粒剂分散性的测定。

（2）易碎性
颗粒的易碎性是一个重要的参数，可以说易碎性越高，在包装、使用和运输过程中就越易产生粉尘污染。

易碎性有两个影响因素：加于颗粒上压力的影响，可引起颗粒的粉碎；振动和摇动的影响，可引起颗粒内部的破损。

CIPAC MT 178.2标准方法可用于水分散粒剂易碎性的测定。

（3）粉尘
粉尘的测定可能是其中最难的，因为重复试验很难得到同样的结果。

粉尘试验的原理是：在一定条件下，把一定量的粒剂由高处落至一平面上，测定产生的粉末的量。

已经有许多测定尘污的仪器发展起来，其中最好的可能是Casella测定仪。

CIPAC MT 171标准方法可用于水分散粒剂粉尘的测定。

（4）粒度大小分布
水分散粒剂的粒度大小分布很重要，通过合适的筛子筛选即可得到合适的粒度大小。

参照CIPAC MT 59.2标准方法可用于水分散粒剂粒度大小分布的测定。

（5）悬浮率
水分散粒剂悬浮率的测定方法和其它制剂类型悬浮率的测定方法相同。

标准的CIPAC方法通常是把制剂稀释至田间使用的浓度。

在制剂的开发阶段，分别在软水和硬水中进行最低和最高使用浓度的悬浮率测试是很有必要的。

和可湿性粉剂一样，水分散粒剂对于水的硬度要求没有乳油严格。

CIPAC MT 15.1标准方法可用于水分散粒剂悬浮率的测定。

（6）润湿性
测定润湿性是为了保证颗粒进入水中后能很快被润湿。

所生产的颗粒密度可能不同，同时由于它们是干燥的产品，很容易产生静电，对润湿性有一定的影响。

CIPAC MT 53.3标准方法可用于水分散粒剂润湿性的测定。

（7）最终颗粒大小分布
实际应用中，在稀释制剂时必须衡量最终的颗粒大小，因为这是农药发挥药效的形式。

测定颗粒大小分布的方法有很多，精密度也不同，我们根据精密度的要求来选择。

常用的方法有：在正常重力下的沉积作用（如CIPAC MT 42和EEL沉降仪）；在实验条件下增加重力测定沉积作用的各种离心沉降仪。

另一种测定粒度大小的仪器是库尔特计数器，根据颗粒通过小孔时在电场作用下的偏移来确定粒子大小。

还有一种计数器是依据光通过悬浮颗粒时的散射来确定粒子的大小。

现在最精密的仪器是根据激光的散射来确定的（如：激光粒度分布仪）。

3.4.2 生产试验
生产试验的水平只能通过生产出来的产品来衡量。

水分散粒剂的两个最重要的性质是粒度大小
分布和水分含量。

在Schugi等一些自动生产设备中，使用混匀的有效成分造粒时要进行粒剂性质的测定以监控生产。

（1）水分含量
可以通过在干燥前后分别测定样品的重量来测定其中的水分含量（105℃下干燥24h）。

现在比较先进的方法是利用红外天平。

由红外灯提供热源，可以在不移动样品的情况下随时通过天平来测定重量的减少。

CIPAC MT 30.1标准方法可用于水分散粒剂水分的测定。

（2）产品质量控制试验
水分散粒剂的常规质量控制试验和其它固体制剂的质量控制试验的基本原则是一致的，试验包括：有效成分含量、水分、堆密度、润湿性和悬浮率等。

4 典型配方
4.1 典型配方
表1 90%莠去津WG配方
编号1#2#
莠去津90%90%
聚羧酸盐类分散剂2%3%
烷基萘磺酸盐类润湿剂1%1%
其它助剂3%3%
高岭土～100%～100%
表2 90%莠去津WG性能指标
编号1#2#
外观白色颗粒状固体白色颗粒状固体
水分≤3%≤3%
pH7.507.50
润湿时间14s25s
湿筛通过率90%99.2%
分散性70%90.3%
悬浮率75%97.2%
持久泡沫量24 mL25mL
（54±2）℃热贮2周不合格合格
对比表1和和表2不难发现，采用1#配方制备的90%莠去津WG，其湿筛通过率、分散性和悬浮率低， 这是由于产品颗粒间形成了固体架桥，导致90%莠去津WG产生不良的性能。

4.2 典型配方例
表3 5%甲氨基阿维菌素苯甲酸盐WG配方
编号1#编号2#
甲氨基阿维菌素苯甲酸盐5%甲氨基阿维菌素苯甲酸盐5%
聚羧酸盐类分散剂8%木质素磺酸盐类分散剂8%
烷基萘磺酸盐类润湿剂3%烷基萘磺酸盐类润湿剂3%
其它10%其它10%
硅藻土～100%硅藻土～100%
表4 5%甲氨基阿维菌素苯甲酸盐WG指标
编号1#2#
外观浅灰近白色颗粒状固体浅灰近白色颗粒状固体
水分≤3%≤3%
pH7.408.80
润湿时间15s5s
湿筛通过率98.2%96.5%
分散性85.4%79.1%
悬浮率88.5%78.4%
持久泡沫量30mL30mL
（54±2）℃热贮2周合格悬浮率下降明显
对比表3和和表4不难发现，采用1#配方制备的5%甲氨基阿维菌素苯甲酸盐WG，其湿筛通过率、分散性和悬浮率较好，且（54±2）℃热贮2周后均合格；而采用2#配方制备的5%甲氨基阿维菌素苯甲酸盐WG，由于改变了分散剂的种类，其贮后悬浮率明显下降，这是由于分散剂种类的改变，致使粉体颗粒发生变化，导致团聚现象的产生，在贮存过程中，其悬浮率下降明显。

5 结论
水分散粒剂贮存稳定，有效成分含量高，相对成本低，对使用者安全，更不存在有机溶剂对环境的污染问题。

因此，它的研究与开发成为农药剂型研究的热点。

在水分散粒剂的配方研究过程中，我们既要结合不同的生产设备，更要注重理论的指导，尤其是颗粒化机制和崩解机制，以便于更加科学、合理的优选配方。

在此过程中，也要随时对水分散粒剂的理化性能指标进行测试，使其符合日益完善的标准要求和使用的最终需要。

作者简历：吴学民，男，中国农业大学教授，博士生导师，主要从事农药制剂与农药对环境影响研究，先后发表专业学术论文三十余篇，发明专利6项，先后主持国家项目3项，参加课题8项。

发表学术专著1部。

目前主要研究工作：（1）非均相制剂体系稳定性研究（2）化学包结物与农药控制释放研究；（3）农药杂质与助剂评价与研究。