功能高分子助劑在提升農(nóng)藥制劑應(yīng)用性能中的應(yīng)用

楊利超，葉嘉烘，黃桂珍，鄭壁稀，張 磊,

(1.汕頭市深泰新材料科技發(fā)展有限公司，廣東 汕頭 515041；2.汕頭市大千高新科技研究中心有限公司，廣東 汕頭515041)

功能高分子助劑是指經(jīng)過分子層面結(jié)構(gòu)設(shè)計和合成的具有功能性的，由許多相同的、簡單的結(jié)構(gòu)單元通過化學(xué)鍵重復(fù)連接而成的相對分子質(zhì)量較高的(通?？蛇_2萬~2000萬)化合物，具有以下特點：⑴基于分子層面進行單體和聚合物的結(jié)構(gòu)設(shè)計與合成；⑵具有能增加藥液在靶標(biāo)界面的附著、提高沉積、耐雨水沖刷、防彈跳、保水等功能性；⑶針對特定靶標(biāo)、特定用途、特定農(nóng)藥設(shè)計和合成，具有靶向性；⑷適用于殺蟲劑、殺菌劑、除草劑等農(nóng)藥制劑，具有廣譜性。近年來，功能高分子助劑逐漸在農(nóng)藥制劑行業(yè)應(yīng)用，本文對功能高分子助劑在水乳劑、懸浮劑、可分散油懸浮劑中的應(yīng)用現(xiàn)狀進行了總結(jié)，明晰了功能高分子助劑提高制劑穩(wěn)定性及使用安全性的機理，以期為功能高分子助劑在農(nóng)藥使用領(lǐng)域的進一步開發(fā)和應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 高分子助劑在水乳劑中的應(yīng)用

水乳劑是國家大力推薦發(fā)展的替代乳油的環(huán)保型水基化制劑，生產(chǎn)成本相對低廉，屬于原料成本最低、生產(chǎn)工藝簡單的水基化制劑。但水乳劑在應(yīng)用中也存在一些常規(guī)乳化劑無法解決的難題，如產(chǎn)品穩(wěn)定性、藥效等，亟需開發(fā)高效穩(wěn)定的專用乳化劑。

1.1 乳狀液的基礎(chǔ)理論

乳狀液是一種液體以液珠形式分散在與它不相混溶的另一種液體中而形成的分散體系。乳狀液一般不透明，呈乳白色，可分水包油(O/W)和油包水(W/O)2種類型。水乳劑是一種水包油的乳液，兌水稀釋后形成的藥液也是水包油乳液。乳狀液液滴的作用力包括空間位阻作用力、界面張力、范德華力和重力。表面活性劑在油水界面定向排列形成界面膜，極性端(極性頭)伸入水中，非極性端(鏈尾)伸入油中，依靠空間位阻和范德華力，使油珠不能聚并長大。乳化劑緊密包圍著油珠顆粒，形成一層具一定強度、彈性的界面膜，阻止因布朗運動、熱交換作用而產(chǎn)生的油滴聚并，以提高水乳劑的物理穩(wěn)定性。根據(jù)斯托克斯公式，球形液滴的沉降速率與液滴直徑的平方、油相和水相的密度差均成正比。水乳劑液滴粒徑越小，受重力作用越小，沉降速率越慢，水乳劑越穩(wěn)定[1]。當(dāng)液滴表面吸附了非離子表面活性劑分子或高聚物分子時，液滴之間存在著空間位阻作用力，其大小取決于高分子乳化劑的分子結(jié)構(gòu)、分子量和吸附層厚度，分子量高的位阻作用大，吸附層越厚，乳狀液越穩(wěn)定。

乳狀液的穩(wěn)定機理：⑴克服范德華力，減少由于相互吸引而產(chǎn)生的碰撞幾率；⑵克服重力的影響，減少油珠顆粒的下沉或上??；⑶強化空間位阻作用力，減少液滴的絮凝及聚并；⑷降低界面張力，形成牢固的界面膜。

1.2 高分子乳化劑

目前，應(yīng)用于水乳劑的高分子乳化劑主要有微交聯(lián)結(jié)構(gòu)和線性體結(jié)構(gòu)2大類。其中通過交聯(lián)劑形成空間立體網(wǎng)狀的微交聯(lián)結(jié)構(gòu)(G系列)，具有能與水無限混溶，空間呈立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的親水高分子體系(圖1)，分子量通常為500萬~2 000萬[2]，具有良好的增稠、懸浮、乳化作用；而線性體結(jié)構(gòu)(N系列)主要起乳化和穩(wěn)定作用[3]。

圖1 溶液中高分子助劑的結(jié)構(gòu)示意圖

高分子乳化劑具有以下特點：⑴為化妝品級原料，安全性高；⑵相對分子質(zhì)量500萬~2 000萬，可延長制劑持效期；⑶廣譜性強；⑷增加藥液的黏附力和沉積量，從而提高藥效[4]。

1.3 高分子水乳劑體系的穩(wěn)定機理

高分子乳化劑對水乳劑體系的穩(wěn)定機理主要有3個方面：⑴高分子乳化劑能降低兩相的界面張力，形成牢固的界面膜；⑵高分子乳化劑具有強大的空間位阻作用，相對分子質(zhì)量大的空間位阻作用力大，吸附層越厚，乳狀液越穩(wěn)定；⑶相對分子質(zhì)量500萬的微交聯(lián)結(jié)構(gòu)高分子乳化劑既是乳化劑，也是增稠劑，能增大體系黏度，因液滴的沉降速率與體系黏度成反比，增大黏度可降低液滴的沉降速率，提高穩(wěn)定性[5]。

1.4 高分子水乳劑體系的增效機理

高分子水乳劑體系利用相對分子質(zhì)量500萬~2 000萬的功能高分子乳化劑形成對原藥的一種空間立體網(wǎng)狀牢固包裹，突破了傳統(tǒng)意義上的單分子層乳化，具有提高藥液與靶標(biāo)之間黏附力和沉積量的屬性。

含有高分子乳化劑的液滴附著沉積在植物葉面，隨著藥液中水分和溶劑揮發(fā)，高分子乳化劑濃度增大，在液體表面形成一層密封的高分子薄膜，既能鎖住水分，延緩水分流失，具有良好的保水功能，又可提高靶標(biāo)對有效成分的吸收率，延長施藥后持效期，提高防治效果[6]。

2 高分子助劑在懸浮劑中的應(yīng)用

懸浮劑具有良好的流動性、分散性、展著性，不使用任何有機溶劑，無粉塵產(chǎn)生，對操作者、使用者以及環(huán)境安全；在開發(fā)的眾多優(yōu)良劑型中，懸浮劑是一種優(yōu)先發(fā)展較為理想的劑型。農(nóng)藥懸浮劑是一種高度分散的多相復(fù)雜體系，其穩(wěn)定性與多種因素有關(guān)。除了農(nóng)藥活性成分本身具有的理化性質(zhì)(如物理形態(tài)、熔點、水中溶解度)之外，需要重點考慮加入的表面活性劑(尤其是潤濕劑和分散劑)對懸浮劑穩(wěn)定性的影響[7]。

2.1 懸浮體系的基礎(chǔ)理論

根據(jù)膠體化學(xué)原理，懸浮劑屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，隨著時間的推移總是自發(fā)傾向于粒子絮凝和聚結(jié)，使總界面面積減少，界面能量降到最低，最終導(dǎo)致懸浮體系被破壞，這是懸浮劑儲存不穩(wěn)定的根本原因[8]。依據(jù)懸浮劑兌水稀釋藥液中存在的不同聚集形態(tài)(圖2)，懸浮劑的穩(wěn)定主要從以下3個方面考慮：⑴因重力作用導(dǎo)致分層和粒子沉降[9]；⑵粒子間存在相互作用而引起絮凝和聚結(jié)；⑶因奧氏熟化(Ostwald ripening)，使粒子在劑型中出現(xiàn)晶體長大現(xiàn)象。所以懸浮劑加工過程中使用的分散劑的選擇，主要考慮空間位阻作用力、雙電層斥力和范德華力。

圖2 懸浮劑在水介質(zhì)中的聚集狀態(tài)

2.2 高分子潤濕分散劑

目前應(yīng)用于懸浮劑的高分子潤濕分散劑為納米高分子聚合物(圖3)，這類分散劑的相對分子質(zhì)量為3萬~5萬。高分子潤濕分散劑主要具有以下特點：⑴屬于帶有電荷屬性的納米級材料，平均粒徑約200 nm，比表面為33.7 m2/g，通過電荷相互作用機理，可對原藥顆粒形成包裹；⑵廣譜性強，可單獨使用，也可與常規(guī)潤濕劑、分散劑復(fù)配使用；⑶對原藥的包裹作用，可增加藥液的黏附力和沉積量，提高藥效。

圖3 潤濕分散劑平均粒徑

2.3 高分子潤濕分散劑的作用機理

高分子潤濕分散劑因其相對分子質(zhì)量比常規(guī)分散劑更大，吸附鏈的吸附點更多，不易從農(nóng)藥粒子上脫吸，同時其自身也能提供靜電排斥力。這種靜電和空間排斥的混合作用，使其吸附在農(nóng)藥分散粒子表面的能力更強，吸附鏈也更不易從農(nóng)藥粒子表面脫吸[10]。

高分子潤濕分散劑的作用機理：⑴潤濕：通過形成納米高分子微球，降低體系表面張力，發(fā)揮潤濕作用；⑵分散：通過功能高分子形成的空間位阻和靜電位阻，發(fā)揮良好的分散作用。

3 高分子助劑在可分散油懸浮劑中的應(yīng)用

3.1 高分子可分散油懸浮體系的創(chuàng)新機理

可分散油懸浮劑是一種安全環(huán)保的新劑型，藥效好是其最大的優(yōu)點，但是可選用的分散劑品種少，加工難度大，且在可分散油懸浮劑中，農(nóng)藥原藥與油相之間相對密度差較大，產(chǎn)品的分層和沉降現(xiàn)象很明顯。分散劑可抑制油相中粒子的絮凝和凝聚，穩(wěn)定油相中分散粒子的懸浮作用，確?？煞稚⒂蛻腋┯盟♂寱r，形成分散均勻的懸浮液，有利于噴施到靶標(biāo)?？煞稚⒂蛻腋┯盟♂尯?，以高分散性的懸浮液形式存在并使用。因此選用的乳化劑必須確保非水介質(zhì)(如礦物油和油酸甲酯等)在水中有很好的乳化分散性[11]。

高分子可分散油懸浮體系的創(chuàng)新機理是：⑴采用日化行業(yè)防曬霜、粉底液、BB霜等尖端的高分子分散劑技術(shù)；⑵采用物理化學(xué)基礎(chǔ)理論——電荷作用：對原藥表面進行披覆和表面改性；⑶借助多重包裹作用，用高分子分散劑對原藥進行包裹；⑷通過高分子聚合物的強大空間位阻作用，可改善可分散油懸浮劑的結(jié)底問題。

3.2 高分子分散劑和乳化劑

高分子分散劑G系列相對分子質(zhì)量為3萬~5萬。這類高分子分散劑的特點是能對原藥顆粒形成包裹，可改善可分散油懸浮劑的結(jié)底問題，并提高緩釋性能，提升藥效。

高分子乳化劑N-600相對分子質(zhì)量為2萬~10萬。這類高分子乳化劑，適合乳化油酸甲酯和溶劑油，為通用型乳化劑，廣泛應(yīng)用于各種系列的可分散油懸浮劑體系中，通過高分子聚合物的強大空間位阻作用，可改善可分散油懸浮劑的結(jié)底問題。

與傳統(tǒng)乳化劑或分散劑相比，高分子聚合物助劑可改善常規(guī)可分散油懸浮劑長時間儲存后結(jié)底問題；由于農(nóng)藥分散粒子被高分子分散劑包裹改性，大幅度提高農(nóng)藥原藥的緩釋性能，從而提升藥效；制劑兌水分散后形成的水包油包原藥多重包裹液滴，在水分揮發(fā)后，高分子包裹的原藥仍然被油相包裹，同時由于高分子分散劑自身帶有電荷，油滴可以高效地吸附在靶標(biāo)表面，因此具有一定的耐雨水沖刷性能。由于功能高分子助劑的加入，在保證理化性質(zhì)和防效同傳統(tǒng)可分散油懸浮劑一致的前提下，提高了制劑的穩(wěn)定性，降低了產(chǎn)品中所使用助劑的成本[12]。

4 高分子助劑在提升制劑安全性中的應(yīng)用

4.1 降低刺激性助劑

擬除蟲菊酯類農(nóng)藥包括高效氯氟氰菊酯、高效氯氰菊酯和高效氟氯氰菊酯等，對皮膚黏膜具有較強的刺激作用，職業(yè)性除蟲菊酯急性中毒常系經(jīng)皮吸收和經(jīng)呼吸道吸入引起，主要表現(xiàn)為面部皮膚或其他暴露部位瘙癢，并伴有灼燒、針刺或緊麻感，嚴(yán)重中毒者可因呼吸、循環(huán)衰竭而死亡[13]。以常用的高效氯氟氰菊酯為例，2018年以前，以常規(guī)乳化劑或分散劑配制成的乳油、水乳劑、微乳劑、懸浮劑等，均不能有效解決制劑的刺激性問題；使用高分子助劑，通過包裹作用制備成的微囊懸浮劑，能有效降低制劑的刺激性。但微囊懸浮劑的缺點在于其生產(chǎn)成本高、工藝復(fù)雜，且制劑速效性不足。

本課題組聚焦能降低擬除蟲菊酯類制劑刺激性助劑的研究，開發(fā)了能降低該類制劑刺激性又不影響其速效性的功能高分子助劑。目前已產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的降低刺激性的助劑有：⑴應(yīng)用于水乳劑制劑加工的高分子乳化劑G 200A；⑵應(yīng)用于懸浮劑制劑加工的高分子助劑G 103；⑶應(yīng)用于微乳劑制劑加工的高分子助劑G 6810。

4.2 降低刺激性的機理

⑴水乳劑體系：利用高分子乳化劑的乳化和包裹作用，形成對擬除蟲菊酯類水乳劑液滴的一種空間立體網(wǎng)狀的牢固包裹，當(dāng)接觸到制劑和藥液時，率先在皮膚表層形成一個屏蔽層，原藥無法直接作用于皮膚，大幅度改善皮膚刺激性的問題。

⑵懸浮劑體系：電性相反的納米級功能高分子，通過電荷作用對擬除蟲菊酯類原藥表面進行潤濕、分散處理。經(jīng)過制備過程中機械(砂磨)作用力后，功能高分子在擬除蟲菊酯類原藥表面進行包覆，從而形成類似薄殼型微囊的包裹，大幅度提升制劑安全性，降低擬除蟲菊酯類制劑的刺激性[14]。

⑶微乳劑體系：通過超分子聚合物對擬除蟲菊酯類液滴的包裹作用，當(dāng)制劑與藥液接觸皮膚時，可在皮膚表面形成屏蔽層，大幅度降低藥劑的刺激性。

5 結(jié) 論

針對特定靶標(biāo)、特定用途、特定農(nóng)藥進行分子層面設(shè)計和合成的功能高分子助劑在提升農(nóng)藥應(yīng)用性能方面的研究工作已經(jīng)開展多年，已逐步在生產(chǎn)實踐中得到廣泛的應(yīng)用。功能高分子助劑特有的性能優(yōu)勢已在農(nóng)藥制劑研究及使用中得到科學(xué)驗證，對農(nóng)藥減施增效具有重要意義，在農(nóng)藥助劑領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。