微胶囊技术在农药剂型中的应用

微胶囊技术在农药剂型中的应用微胶囊剂可谓是当前农药新剂型中技术含量最高的一种。

虽然,它在农药制剂市场中占据的份额还很小,远排不上农药主要剂型的地位,但鉴于它拥有诸多极具魅力的优点和功能,已日益引起人们的广泛关注[1~3]。

特别是即将到来的21世纪中,人们对于安全、环境、生态和可持续发展的意识不断增强,微胶囊剂的许多优点势必将成为农药制剂的重要发展方向。

1 微胶囊剂的特点和功能[4~6]
微胶囊剂(microcapsules,MC),严格说应是微胶囊悬浮剂(capsulesuspensions,CS)。

它是以高分子材料作为囊壁或囊膜,通过化学、物理或物理化学的方法,将作为囊心的农药活性物质包裹起来,形成一种具有半渗透性囊膜的微型胶囊,并将它们以一定的浓度稳定地分散、悬浮在作为连续相的水中。

微胶囊剂从外观看,很像水乳剂(EW),也是以水作为基质的非均相体系,活性成分包含在分散的油相之中,所不同的是在分散的油相粒子外层,包以由高分子聚合物构成的极薄的囊膜。

正是此囊膜,赋予该剂型许多重要的功能:
①它将油相和水相隔开,因此有些对水不稳定的农药活性成分如有机磷等,难以制成水乳剂和微乳剂(ME),却可制成微胶囊剂。

②抑制了因许多环境因素(如光、热、空气、雨水、土壤、微生物)和其他化学物质等造成的分解和流失,提高了药剂本身的稳定性,有利于生态和环境。

③囊膜可抑制农药的挥发性、掩蔽其原有的异味,降低它的接触毒性、吸入毒性和药害,减轻它对人畜的刺激性和对鱼类的毒性等。

④引入控制释放的功能,提高农药的利用率,延长其持效期,从而可减少施药的数量和频率,改善农药对环境的压力。

⑤为多种不同性能的农药活性物质的有效复配提供极大的方便。

⑥囊膜的存在也改善了制剂的胶体和物理稳定性。

不难看出,微胶囊的上述功能,无论对于现有农药品种的改进和完善,或是促成新农药品种的成功开发和推广应用,都将是极其重要的。

2 微胶囊的制备技术[5~10]
2.1 物理法、相分离法和界面聚合法
微胶囊的制备技术可分为三类,即物理法、相分离法和界面聚合法。

属于物理法的有离心挤压、喷雾干燥、流化喷雾涂层等方法。

前者的缺点是难以制得小尺寸的颗粒后两种方法的缺点是制得的胶囊不具备高的质量经常出现作为囊壁的高分子材料中间无农药心料或是作为心料的农药活性物质未被高分子囊壁包裹。

这类方法很少用于农药制剂。

属于相分离法的有单凝聚法和复凝聚法等。

其共同特点是都须将不溶于水的农药活性物质乳化分散于水相中。

单凝聚法是指水相中溶有用作囊膜的高分子物质,待所处条件发生变化(如pH改变或添加盐类和其他非溶剂物质等),溶解的高分子便在水相中析出,并随即优先包裹在分散其中的农药活性物质上。

复凝聚法是指水相中含有的水溶性单体或前聚体,在条件发生变化(如添加酸化剂)时,便在水相中聚合,生成不溶于水的高分子,并析出,优先包裹在分散其中的农药活性物质上。

常用的单体或前聚体有甲醛和尿素或氰脲酰胺、明胶和阿拉伯胶等。

相分离法虽可用于农药制剂,但鉴于过程难严格控制,所得制剂中活性物质含量较低以及成本较高等原因,并未在商业上获得成功。

目前应用于农药的微胶囊技术,主要是界面聚合法。

2.2 微胶囊化的界面聚合法
这里所说的界面聚合法(interfacial polymerization),严格说应是界面缩聚法(interfacial poly-condensation),而不是界面加成聚合(interfacialad-ditionpolymerization)反应。

在界面加成聚合反应中,所用的都是不饱和单体,难适用于农药。

因为在农药原药中,存在较多的杂质,它们
会干扰其中的催化反应。

界面缩聚反应则颇适合于农药的微胶囊化。

其特点是工艺步骤比较简单,条件不太苛刻,囊膜的性能可以调控,并可制取活性物质含量高的制剂等。

界面缩聚法还可进一步分为两种类型。

其中之一常简称作界面聚合法,参与该缩聚反应的有二类单体,分别溶解在油相和水相中。

另一种常称作就地聚合法(in-situpolymerization),反应的单体或前聚体只在油相中存在。

2.2.1 界面聚合法
界面聚合法是目前农药微胶囊剂采用的主要方法。

其特点是缩聚反应发生在互不相溶的两相界面上,反应在常温下便可迅速进行。

该方法的基本过程相当简单。

首先,需将缩聚反应所用的第一种单体,即油溶性单体,溶解在农药原油中构成所谓的有机相。

如果农药不是油状液体而是固体,则应先将它溶解在与水不互溶的有机溶剂中,再溶入第一种单体。

然后,将此有机相分散在作为连续相的水中。

因为水相中已含有乳化分散剂,故在搅拌均化条件下,得已形成粒子尺寸符合要求的乳状液。

再向此乳状液的水相中,添加水溶性的第二种单体。

于是,在常温条件便可在乳液粒子的油-水界面处发生,生成囊膜的缩聚反应。

如此,便获得微胶囊悬乳液,再经若干辅助性的步骤,即可制得最终产品——微胶囊剂。

该法对于农药和成膜单体自然都有一定的限制。

农药必须是不溶于水的油性液体或有机溶液,且不与成膜单体发生反应;两种单体必须分别溶于油相和水相,其间的反应速度务必远大于与溶剂或其他成分之间的副反应。

最常用的油溶性单体是多异氰酸酯和酰氯,最常用的水溶性单体是多元胺,生成的界面缩聚物则为聚脲或聚酰胺。

倘若选用其他合适的单体,则可生成不同种类的缩聚物,诸如聚砜酰胺、聚氨基甲酸乙酯,甚至聚环氧化物。

有时,还可用混合单体生成的混合缩聚物作为囊膜。

如此,不仅可以通过调节微胶囊的尺寸、囊膜的厚度来控制释放速率,还可利用囊膜的材质和交联程度等控制释放速度。

2.2.2 就地聚合法
该法与前述的界面聚合法十分相似,所不同的是只使用油溶性的单体或前聚体;缩聚反应需在稍高的温度或有催化剂存在的条件下进行;反应比较缓慢,生成的囊膜有其不对称结构的特点等。

就地聚合法虽不如界面聚合法应用广泛,但因该法也有其自身的长处,故目前也有不少商品制剂采用此法生产。

其制备的基本过程首先也是将成膜单体或前聚体溶解在农药原油中。

农药如果是固体,则应将它先溶解在与水不互溶的有机溶剂中。

再溶入成膜单体或前聚体,构成所谓的有机相。

水相的制备是向水中加入乳化剂和胶体保护剂,倘若采用氨基塑料前聚体,尚须加入具有表面活性的磺酸类催化剂。

然后,在边搅拌均化的条件下,将有机相加至水相中,生成平均粒径为2~5Lm的水包油乳液。

提高乳液的温度至50℃并维持3h,以实现并完成囊膜的生成反应。

最后,冷却至常温并添加各种辅助助剂,即成最终产品。

此成膜反应始于50℃,首先是异氰酸酯单体在乳液粒子的界面上以缓慢的速度发生水解生成胺,而后此胺随即与未水解的异氰酸酯单体在界面上生成聚脲囊膜。

此界面聚合只发生在两相界面的油相一侧,而且是因水分子的参与始发的。

鉴于水分子是从水相向油相扩散,浓度逐渐降低,故生成的囊膜具有不对称的结构。

膜的外层很薄(约0.05Lm),但致密,承担控制释放的作用;内层较厚(约0.5Lm),但疏松,主要起机械支撑的作用。

3 微胶囊的释放机制[6,8,9]
微胶囊中农药活性成分的释放可以通过两种机制实现:一种是通过囊膜的扩散渗透,它具有控制释放的功能;另一种则是囊膜的破裂,促成局部胶囊中活性成分的完全释放。

显然,前一种机制对于微胶囊剂而言是最为本质和重要的。

但后一种机制,对于微胶囊杀虫剂和杀鼠剂,也具有明显的意义。

由于害虫或鼠类的咀嚼或践踏,造成部分囊膜破裂,将有利于药效的充分发挥。

囊膜破裂的难易取决于膜材、膜厚(D)和囊径(d)。

对于一定的膜材而言,dD越大囊膜越容易破裂。

不过,目前用界面聚合法制得的微胶囊趋向于囊膜有较高的强度,一般情况下是不容易破裂的。

为适应不同释放速率和用途,释放速率常要求能在很宽的区间,即在若干个数量级的范围内变化。

欲实现此目的,最实用的途径是调节渗透性,即变化溶解系数和扩散系数。

胶囊的内外壁半径虽然也可变动,但因受到工艺过程和物理稳定性的限制,变化范围较窄。

例如,微胶囊的平均直径常为2~15Lm,膜厚常在0.1Lm以下。

溶解系数和扩散系数将同时取决于释放速率和囊膜。

对于指定的释放速率,扩散系数和溶解系数分别随囊膜的交联密度和化学性质而变化。

比如变化PMPPI和TDI的比例,可调节囊膜的交联密度。

PMPPITDI的比值越大,交联密度越大,扩散系数便越小。

溶解系数则与释放速率在囊心(油相)和囊膜中的分配系数有关。

囊膜的化学性质越是接近释放速率,溶解系数便越大。

利用它们的极性常可作大致的判断。

4 商品化的微胶囊制剂[8~10]
自1974年美国Pennwalt公司率先推出甲基对硫磷商品微胶囊剂以来,目前市面上已经有数十个品牌和规格的商品,它们采用的都是界面缩聚或就地界面缩聚法,活性成分主要集中在除草剂和杀虫剂,而且据称以除草剂甲草胺的规模为最大。

1 界面缩聚法生产的商品化微胶囊制剂
活性成分商品名囊膜材质生产厂商
除草剂
甲草胺 Micro-tech 聚脲 Monsanto
甲草胺 Bullet 聚脲 Monsanto
甲草胺 Partner 聚脲 Monsanto
茵达灭Capsolane 聚脲Zeneca
杀虫剂
毒死蜱 Empire20 聚脲 DowElanco
毒死蜱 Pyrinex 聚脲Mahkteshim
毒死蜱 KayatachMC 聚脲 NipponKayaku
毒死蜱 Pennphos 聚脲 ElfAtochem
二嗪农 Knox-Out2FM聚酰胺聚脲 ElfAtochem
二嗪农 NO-Roach 聚脲 KedemChems
杀螟松 KareitMC 聚氨酯Sumitomo
地虫硫磷DyfonateMS 聚脲 Zeneca
对硫磷 Penncap-E 聚酰胺聚脲 ElfAtochem
甲基对硫磷Penncap-M聚酰胺聚脲 ElfAtochem
甲基对硫磷Parashoot 聚脲 Cheminova
氯菊酯Penncapthrin200聚酰胺聚脲 ElfAtochem
甲基嘧啶磷ActellicM20聚脲 Zeneca
七氟菊酯TefluthrinCS 聚脲 Zeneca
2 就地界面缩聚(异氰酸酯)法生产的商品化微胶囊制剂
活性成分商品名主要适用作物微胶囊化目的
除草剂
茵达灭 (EPTC) Capsolane(36CS) 谷物降低挥发性,减少施药量
氟咯草酮RocerME(25CS) 向日葵减轻药害
乙草胺 TopNotch(38.4CS) 谷物延长持效期
阿特拉津Fultime(28.8CS19.25SC) 谷物延长持效期
杀虫剂
地虫硫磷Dyfonate(43CS) 冬小麦降低经口和经皮毒性
七氟菊酯ForceSeedTreatment(30CS) 冬小麦减轻皮肤刺激性
七氟菊酯 ForceSeed Treatment(20CS) 甜菜减轻皮肤刺激性
氯氟氰菊酯 Icon或Demand (10CS) 卫生延长持效期减轻皮肤刺激性
氯氟氰菊酯Karate(25CS) 棉花、森林、园艺减轻皮肤刺激性
注:36CS代表360gl活性物质含量的微胶囊剂,其他类推。

5 结束语
30多年来,农药微胶囊制剂虽有一定的发展,但与该剂型的优点和功能相比,此种发展速度是极不相称的。

究其原因,大概有以下两方面:一是微胶囊化有较高的技术难度,生产成本也比较高;二是人们对农药剂型的认识和要求尚未达到足够的高度。

近几年来,情况正在发生明显的变化。

特别是在即将到来的21世纪中,人们对于安全、环境、生态和可持续发展的意识不断增强,微胶囊剂的许多优点势必将成为农药制剂的重要发展方向。