农药水乳剂、微乳剂研发与生产中存在的问题及对策

第二届环境友好型农药制剂加工技术及生产设备研讨会报告集68农药水乳剂、微乳剂研发与生产中存在的问题及对策孔建（深圳诺普信农化股份有限公司）农药需要加工成各种制剂才能充分发挥其生物活性。农药及其助剂对食品安全和环境的影响越来越受到人们的高度关注。用水替代以“三苯”为代表的芳烃类有机溶剂是农药剂型研究与加工的重要方向之一，水乳剂及微乳剂都是用水做介质的环保剂型，但在发展过程中也存在一些问题，如水乳剂开发需专用乳化剂，产品稳定性难把握，药效偏低；微乳剂在发展初期曾因乳化剂、助溶剂用量较大而引起人们的忧虑，现阶段有结晶与经时稳定性问题等等。这些问题困扰新剂型的研发进程，也给行业自身的发展带来负面影响，引发不少争议，甚至有专家认为应该取消微乳剂作为环保剂型的说法。任何新生事物在发展和成熟过程中都会存在一些问题和争议，农药剂型环保化进程的方向已经很明确，如何解决出现的问题，促进技术进步和工艺改善，充分发挥其有利方面，减少或避免负面影响，才是我们环保农药剂型研究和发展的目的。一、水乳剂、微乳剂的研究与产业化状况1.1概念一般认为农药水乳剂（EW）是不溶于水的液体原药或原药溶于有机溶剂所得的液体与表面活性剂以0.5～1.5微米的油珠分散于水中形成的一种农药制剂，外观为不透明的乳状液。农药微乳剂(ME)是一种含有农药活性成分、水和表面活性剂(或助表面活性剂)加工成各向同性的、透明和热力学上稳定的分散体系。其分散液径一般在10～100纳米。农药水乳剂和微乳剂除了外观有较大差别外，其本质都是以水为连续相的乳液分散体系，都属于O/W乳液的范畴（也有W/O型的乳液，但目前实用不多），都是通过表面活性剂的作用形成O/W乳液。只不过是分散相的细度差别造成了外观及热力学稳定性的差异。有些水乳剂如果不添加粘度调节剂，调整乳化剂的用量也可以转化为微乳剂。1.2水乳剂和微乳剂相互之间关系水乳剂和微乳剂的性能特点、生产方式、药效比较已经有很多相关的文章加以论述，这里不再赘述。其相互之间存在密切的关系，目前O/W乳液按分散相液滴的大小通常被分成三类如表1。表1乳液的分类形态乳液名称液滴大小外观稳定性粗乳液＞400nm乳白色液体动力学上稳定微细乳液100～400nm蓝白色带荧光液体热力学上稳定微乳液＜100nm半透明或透明液体热力学上稳定第二届环境友好型农药制剂加工技术及生产设备研讨会报告集69在实际研究与生产中，三种乳液之间有时并没有明显的界限，一定条件下可以相互转换。比如用生产乳油的乳化剂同样可以制成粗乳液、微细乳液和微乳液，如果增加粘度调节剂或助表面活性剂可以形成稳定的水乳剂或微乳剂。选择的乳化剂品种不同，得到的乳状液的形态也不相同。在溶剂使用方面，水乳剂和微乳剂基本相同，只有防冻剂及助表面活性剂的使用在不同的农药品种有不同的选择，如高效氯氟氰菊酯水乳剂中用乙二醇作为防冻剂，而高效氯氟氰菊酯微乳剂中用乙醇作为助表面活性剂，同时乙醇又是防冻剂。在2.5%高效氯氟氰菊酯微乳剂和水乳剂中，乳化剂用量基本相同，但微乳剂的成本更低（如表2）。国内市场上生产的水乳剂或微乳剂，有很多公司选择国产乳油用的乳化剂，用量一般偏高，如果选择水乳剂及微乳剂的专用乳化剂，乳化剂和助表面活性剂的用量都会大大减少，同时稳定性会进一步提高。表22.5%高效氯氟氰菊酯水乳剂和微乳剂产品成本比较名称原药用量%溶剂用量%防冻剂%乳化剂%助剂成本（元/吨）2.5%高效氯氟氰菊酯EW2.543（乙二醇）4（国外）18002.5%高效氯氟氰菊酯ME2.523（乙醇）4(国外)/6(国内)1600另外，如表1所示，在水乳剂（粗乳液）和微乳剂（微乳液）的中间还存在一种稳定的中间态—微细乳液［MEW（暂名）］，在生产实践中已经有稳定的农药产品，我们完成的2.5%联苯菊酯MEW就是用转相乳化（PIT）法制成的，无需使用高剪切乳化机分散，即低能乳化法，制剂外观为带荧光白色液体，粒径范围50～250纳米，入水分散形成半透明液体。这种乳液的经时稳定性已超过3年，除粒径与普通水乳剂有差别外，其结构组成完全与水乳剂一样。粒径、外观和稀释形态见图1、2、3。现在这种形态的MEW还没有明确的剂型名称及代码。图12.5%联苯菊酯MEW粒径分布图图22.5%联苯菊酯MEW与EW外观图3MEW与EW稀释形态第二届环境友好型农药制剂加工技术及生产设备研讨会报告集701.3研究与应用状况近年来我国的水乳剂和微乳剂发展较快，特别是自从2007年国际石油价格高达每桶140美元后更是发展迅速，截止2009年12月底国内农药企业的水乳剂和微乳剂登记294个产品（含不同企业重复登记），近十几年登记情况如表3。表31992～2009年我国国内企业农药水乳剂和微乳剂登记情况年份水乳剂登记个数微乳剂登记个数19921\1994\119981342002223820036175200559123200641952007621212008117185200986208目前，市场上许多农药化合物是高活性品种，如菊酯类、新烟碱类和阿维菌素、甲维盐等，大部分产品登记含量在10%以下，这些品种做成微乳剂和水乳剂都是非常适宜的，两者在溶助剂成本上没有太大差别却都远低于乳油产品，而在经时稳定性上微乳剂大多比水乳剂稳定，药效方面微乳剂表现通常会更好些。可能与其生物性能的改善和提高，有效成分分散度及在生物表面的传递效率有关，这在医药及食品领域已有很多试验证实，而在农药方面目前也有一些药效试验得到验证，如表4。但制剂含量再提高时，水乳剂的综合优势就明显增强了。表42.5%高效氯氟氰菊酯EW和ME处理斜纹夜蛾二龄幼虫实验数据药剂处理浓度（倍）试虫数（头）中毒时间（min）24h死亡率（%）2.5%高效氯氟氰菊酯ME30075662.502.5%高效氯氟氰菊酯EW(A)30075912.502.5%高效氯氟氰菊酯EW(B)300751120.832.5%高效氯氟氰菊酯EW(C)300751318.752.5%高效氯氟氰菊酯EW(D)300751345.83对照CK清水75/0注：EW中的A、B、C、D分别代表不同的的助剂配方在市场上，最常见的水乳剂品种为高效氯氟氰菊酯、高效氯氰菊酯、联苯菊酯、氟氯氰菊酯、戊唑醇、精噁唑禾草灵等，如4.5%高效氯氰菊酯、2.5%、5%高效氯氟氰菊酯、10%氯氰菊酯、6.9%精噁唑禾草灵、1.8%阿维菌素、2.5%联苯菊酯等；微乳剂常见的品种为：高效氯氟氰菊酯、高效氯氰菊酯、阿维菌素、甲维盐、三唑磷、啶虫脒、毒死蜱、吡虫啉等。如2.5%、5%高效氯氟氰菊酯、4.5%高效氯氰菊酯、1.8%、2.0%、5%阿维菌素、0.5%～5%甲维盐、8%、15%三唑磷、15%毒死蜱、2.5%联苯菊酯等微乳剂。1.4生产技术农药水乳剂及微乳剂生产工艺技术是比较成熟的，水乳剂的生产主要考虑的是所用的高能剪切设备能够分散得到我们规定粒径范围的乳状液，这种设备及工艺流程是可行的。但水乳剂配方与配套的生产设备筛选需要一定时间反复调整测定，一旦达到要求，水乳剂产品稳定性是有保证的。水第二届环境友好型农药制剂加工技术及生产设备研讨会报告集71乳剂生产过程中一般不容易及时发现性变，因此是一次成型，经过长时间贮藏后才能发现问题。一旦出现问题，重调恢复的难度较大。而微乳剂的生产工艺基本与乳油一致，除一些品种必须按照规定的投料顺序进行生产外，其它均没有特殊的要求，生产过程中还可以根据需要对透明温区、PH值等指标进行调整，以达到最佳效果。除非体系中有变质、结晶或挥发减少介质的情况，一般不会出现不稳定的问题。2不同类型水乳剂和微乳剂配方研究实例分析到2009年12月止国内登记水乳剂和微乳剂的产品数近300个，其中许多品种都有相同含量水乳剂和微乳剂登记。对于水乳剂，大家的意见比较一致，认为是一种应该鼓励的替代乳油的环保型制剂。但对于微乳剂，争论就较多，典型的反对观点有二：一是乳化剂用量大、成本高，二是需用一定量的极性溶剂，甚至是DMF等不安全的极性溶剂，比乳油的环保问题更大。这些问题在上世纪九十年代初期研究和生产过程中确实经常遇到。微乳剂从我国第一个登记产品十三烷醇ME开始，到目前已经走过了15年（国外及卫生杀虫剂登记的微乳剂更早），大量工业化生产和应用还是从2000年后才开始，经过十多年时间的研究与生产实践，微乳剂产品技术、工艺与性能不断完善，上述典型的反对理由早已不存在，微乳剂因药效好、助剂成本低、对表面活性剂选择范围宽，生产工艺和设备简单而大受欢迎，很多产品如2.5％高效氯氟氰菊酯ME、4.5％高效氯氰菊酯ME、阿维菌素和甲维盐ME等已经成为了当前农业病虫害防治领域的主要农药制剂。下面根据原药品种把水乳剂、微乳剂分成几大类型进一步分析：2.1菊酯类水乳剂和微乳剂菊酯类化合物品种多属于高效低毒杀虫剂，一般制剂含量都较低，这样低含量的产品所需的填料或有机溶剂量都相当高，如果加工成乳油，溶剂含量高达80%以上。而选择用水做载体则可以大幅减少溶剂的用量。水乳剂和微乳剂也就成为最佳剂型之一（部分菊酯可以做成SC）。用以往乳油的乳化剂配制水乳剂和微乳剂，乳化剂用量等同或稍大于乳油，但用新型乳化剂配制的产品，乳化剂用量比乳油少很多。而微乳剂所用的助溶剂也并非大量的极性溶剂，有的可以完全不用。典型的几种菊酯类产品不同剂型配方比较如表5。表5菊酯类产品不同剂型配方比较(%)品种剂型二甲苯或solvesso-200乳化剂其它助剂调节剂水国内/国外2.5%高效氯氟氰菊酯EC87.510////EW55/3.5乙二醇/30.584/85.5ME26/4乙醇/3/86.5/88.55%高效氯氟氰菊酯EC8510////EW86/3.5乙二醇/30.577.5/80ME411/8乙醇/3/77/802.5%联苯菊酯菊酯EC87.510////EW65/3.5乙二醇/30.583/84.5ME68/4乙醇/3/80.5/84.54.5%高效氯氰菊酯EC85.510////EW12.26/3.5乙二醇/30.571.8/76.3ME12.213/8乙醇/3/67/72.3第二届环境友好型农药制剂加工技术及生产设备研讨会报告集72从表5中看出，低含量的微乳剂与水乳剂在溶剂及乳化剂用量方面基本接近，比乳油产品所用的乳化剂还要少，但有机溶剂却下降了80%以上。含量提高到5%时，水乳剂的乳化剂用量基本不增加，而微乳剂乳化剂用量与乳油相当，当使用专用乳化剂时，用量仍然低于乳油产品，而并没有大量的使用极性溶剂。实际生产中如果使用太多的极性溶剂，对微乳剂本身的经时稳定性并没有好处，也容易引发结晶的产生。从成本考虑，典型的微乳剂更适用于高活性品种的低含量制剂产品2.2含氮杂环类农药品种的水乳剂和微乳剂此类产品的生产一般按传统的方法进行，水乳剂配制时先用溶剂溶解原药，加入表面活性剂，经高剪切分散后调节粘度完成。而微乳剂同样先用溶剂溶解后加入表面活性剂及助表面活性剂，加水搅拌即自发形成微乳剂。比较典型的如己唑醇水乳剂和微乳剂配方组成如表6。这里的溶剂以乳油的溶剂二甲苯为例，如选用更环保高效的溶剂替代更好。表6己唑醇水乳剂和微乳剂的配方比较品种剂型二甲苯乳化剂其它助剂抗冻剂调节剂水5%己唑醇EW831.530.584ME863/276在含氮杂环类微乳剂的生产中还有一种特殊的方法，使用有机酸助溶法完成微乳剂，这种方法的形成机理目前还不是很清楚，我们暂且认为是一种络合态的分子结构吧，其组成包含有效成分、有机酸、表面活性剂和水，配制形成的溶液在水中能自发乳化后迅速透明并保持相对稳定的体系。以下以氟硅唑为例做一说明，普通方法及特殊方法完成的氟硅唑微乳剂如表7。表7氟硅唑微乳剂不同方法的比较方法溶剂/用量乳化剂用量外观稀释形态8%氟硅唑普通方法乙醇/1516透明溶液半透明溶液酸助溶法乳酸等/168透明溶液半透明溶液特殊的酸助溶法配制微乳剂的过程是首先用酸溶解农药原药，再加入表面活性剂和水，不需要其它溶剂，搅拌均匀形成透明溶液。溶液的形态、外观、入水分散过程、粒径范围等与微乳剂定义的所有特征相同。吡虫啉或啶虫脒等杂环类药剂由于