第四节　最新的悬浮剂开发技术

近年来，随着人类环境保护、食品安全意识的加强，对农业化学品环境相容性要求不断提升，悬浮剂的诸多优点使其成为绿色化学所倡导的农药水基性制剂中性能优良的重要代表剂型之一，其剂型开发技术也成为当前农药剂型研究的热点，并取得了一定进展，概括起来大致有以下几个方面。

一、悬浮剂稳定性机理研究

目前，有关悬浮剂的稳定性理论研究尚不成熟。一般而言，悬浮剂的稳定性主要是通过以下三种方式实现的：① 增大颗粒表面电位的绝对值，提高颗粒间彼此的静电排斥作用，基于离子型分散剂或聚合电解质的吸附来实现；② 通过非离子型分散剂或高分子聚合物在颗粒表面的吸附，使固体表面吸附层增厚，形成空间位垒，阻碍颗粒相互靠拢；③ 通过分散剂的亲水基团（—OH、PO43-、—COOH等）增强颗粒表面的亲水性，以提高界面水的结构化，加大水化膜的强度，使颗粒间的溶剂化作用力提高。不管以何种方式实现悬浮体系的稳定，分散剂在颗粒表面的吸附是前提条件，因此，研究分散剂在农药颗粒表面的吸附行为，是揭示农药悬浮剂的形成和稳定机理的关键。

一般认为表面活性剂在固体表面的吸附是单个表面活性剂或分子的吸附。吸附可能以下述方式进行：① 离子交换吸附：吸附于固体表面的反离子被同电性的表面活性离子取代。② 离子对吸附：表面活性离子吸附于具有相反电荷、未被反离子所占据的固体表面位置上。③ 氢键吸附：表面活性剂分子或离子与固体表面极性基团形成氢键吸附。④ π电子极化吸附：吸附物分子中含有富余电子的芳香核时，与吸附表面的强正电位置相互吸引而发生吸附。⑤ 色散力吸附：此种吸附一般总是随吸附物分子的大小而增减，而且在任何场合皆发生。⑥ 憎水作用吸附：表面活性剂亲油基在水介质中易于相互连接形成“憎水键”与逃离水的趋势，随着浓度增大到一定程度时，有可能与已吸附于表面的其他表面活性剂分子聚集而吸附，或以聚集状态吸附于表面。

（一）吸附方法的选择

在实验室中，溶液吸附的常用方法有：密封振荡平衡法、色谱法、循环法以及表面张力-接触角和黏附张力法。

1. 密封振荡平衡法

该法是最常应用的简便、有效的方法，将预处理过的一定质量的固体和一定体积已知浓度的溶液加入密封容器中，恒温振荡一段时间直至达吸附平衡。分析溶液浓度，得到吸附平衡前后溶液浓度的变换。使用该法需注意吸附剂的用量不可过少，由于吸附剂的不均匀性及随机取样带来的误差较大。

2. 色谱法

该法适用于自稀溶液中吸附的方法。将一定质量的吸附剂装到一充满纯溶剂的短柱中，使稀溶液通过填充柱，并连续测定流出液的浓度，即可求出吸附等温线，但该法耗液量较大。

3. 循环法

使溶液在密闭体系中循环通过一定质量的吸附剂柱，并随时监测溶液的浓度，参考池中放入原始浓度的溶液。该法的缺点是设备和装置较复杂，要求循环系统中无滞留区，循环泵流速稳定，与溶液不发生化学作用，不吸附溶液，无污染。

4. 表面张力-接触角和黏附张力法

这是一类测定表面活性剂物质在固液界面吸附的方法，该法的依据是Gibbs吸附公式。

（二）吸附作用力

由于分散剂在农药颗粒表面吸附，二者之间会发生相互作用，导致吸收峰强度和位移发生变化。因此，可用红外光谱（IR）来确定分散剂与农药颗粒表面结合的主要作用力，并用拉曼光谱（Raman）作为红外光谱的有力佐证和补充。将制得的悬浮液用高速离心机离心，弃去上清液，下层残余固体经真空干燥后，用溴化钾压片。傅里叶变换红外光谱仪光谱的扫描范围为400～4000cm-1的中红外区，分辨率为4.0cm-1。

拉曼光谱是一种简单、灵敏的光谱分析工具，和红外光谱结合，是研究分子结构和分子振动的重要工具，可作为红外光谱分析的补充。将制得的悬浮液用高速离心机离心，弃去上清液，下层残余固体经真空干燥后，用于Raman光谱的测定。傅里叶拉曼光谱仪，Nd：YAG激光光源（1064nm），液氮冷却Ge检测器。波数范围为50～3500cm-1，光谱分辨率为4cm-1，扫描50次。

（三）吸附动力学参数

通过吸附动力学参数的测试，可以得知分散剂在农药颗粒表面的吸附快慢。将原药粉碎至45μm（325目），准确称取一定质量的该粉末，（精确至0.001g）置于三角瓶中，加入一定浓度的分散剂水溶液（预先在实验温度下预热），密闭瓶口，置于恒温箱振荡，定时取出上清液进行含量测定，同时做空白试验以消除原药溶出对结果的影响。计算吸附量，直至吸附量不发生变化。采用式（2-3）计算吸附量：

　　（2-3）

式中 Г ——单位质量原药吸附分散剂的质量，mg/g；

　　C0 ——分散剂溶液的初始浓度，mg/L；

　　Ct ——吸附后浓度，mg/L；

　　Cb ——空白样的浓度，mg/L；

　　 V ——溶液的总体积，mL；

　　m ——原药的质量，g。

为了探讨吸附动力学常数，将不同时间的吸附量数据分别采用准一级动力学模型式（2-4）和准二级动力学模型式（2-5）对数据进行拟合。

ln(Гeq- Гt) = lnГeq - k1t　　（2-4）

　　（ 2-5）

式中 Гt ——时间t时的表观吸附量，mg/g；

　　Гeq——吸附平衡时的吸附量，mg/g；

　　k1 ——准一级动力学模型的吸附速率常数，min-1；

　　k2 ——准二级动力学模型的吸附速率常数，g/（mg·min）；

　　　t——吸附时间，min。

上面计算出的不同温度时的速率常数k满足Arrhenius方程式（2-6）：

　　（2-6）

式中 Ea ——表观活化能，kJ/mol；

　 　 k ——吸附速率常数；

　 　 R ——气体常数，8.314 J/（K·mol）；

　 　 T ——溶液的温度，K；

　　　z ——Arrhenius因子。

以lnk对1/T作图，由直线的斜率可以计算出吸附的表观活化能Ea。

（四）吸附等温线

表面活性剂的吸附等温线表示一定温度时被吸附的表面活性剂量与溶液中表面活性剂浓度之间的平衡关系。它表示体系最基本的吸附性质，是进一步的吸附理论研究和应用的基础。从吸附等温线可以得到表面活性剂的吸附量和吸附率，它是研究工作者研究界面吸附最常用的研究方法。吸附分散剂后溶液中的分散剂浓度可利用紫外（UV）分光光度计来检测，通过计算吸附前后分散剂的浓度差，测量农药颗粒表面的表观吸附量。用测得的吸附数据按不同吸附等温式进行拟合，确定拟合方程，获得吸附系数及饱和吸附量。

1. 工作曲线的建立

配制分散剂不同浓度的标准溶液，用紫外-可见分光光度计测定其质量浓度，测定相应的响应值，并以浓度为横坐标，响应值为纵坐标，作图，得分散剂线性相关性曲线。

2. 吸附量的确定

利用紫外-可见分光光度计，检测吸附分散剂后溶液中的分散剂浓度，通过计算吸附前后分散剂的浓度差，测量农药颗粒表面的表观吸附量。

称取一定量的悬浮液，经高速离心，取上清液稀释至适当浓度，用紫外-可见分光光度计测定其质量浓度。离心机转速：4000r/min，离心30min；Shimadzu UV-1800紫外光谱仪，光源为氘灯，波长范围为190～1100nm，波长准确度为±0.3nm，光谱带宽为1nm，杂散光0.02%以下，试验温度为（20±1）℃。

分散剂在农药颗粒表面的表观吸附量Г，按式（2-7）计算：

　　（ 2-7）

式中 Г ——表观吸附量，mg/g；

　 m0 ——原分散剂的质量，g；

　　ct ——吸附平衡后溶液中分散剂的质量浓度，g/L；

　　V ——溶液的总体积，mL；

　　m ——农药的质量，g。

3. 吸附等温式拟合模型的确立

不同的吸附曲线反映了不同的吸附方式，使用不同的吸附模型将吸附等温线拟合，可以得到相关吸附系数。常见的吸附等温式有：

① Langmuir吸附等温式：

　　（ 2-8）

式中 Г ——表观吸附量，mg/g；

　　Г∞——饱和吸附量，mg/g；

　　ct ——吸附平衡后溶液中分散剂的质量浓度，mg/L；

　 　a ——Langmuir吸附系数，L·g。

② Freundlich吸附等温式：

　　（ 2-9）

式中 Г ——表观吸附量，mg/g；

　　c ——平衡浓度，mg/L；

　k，n——吸附常数。

③ BET吸附等温式

　　（ 2-10）

式中 Г ——表观吸附量，mg/g；

　　Г∞——饱和吸附量，mg/g；

　　ct ——吸附平衡后溶液中分散剂的质量浓度，mg/L；

　　p ——气体压力，Pa；

　　p0——气体饱和蒸气压，Pa。

Langmuir吸附等温式和Freundlich吸附等温式可以描述单层吸附，BET吸附等温式可以描述单层和多层吸附。用测得的吸附数据按不同吸附等温式进行拟合，确定拟合方程，得到吸附系数及饱和吸附量。

通过对吸附等温线及吸附动力学参数的研究可以了解吸附过程的趋势、程度和驱动力，对解释吸附特点、规律和机制有着重要意义。

（五）吸附层厚度

通常认为分散剂在固体颗粒表面形成一定厚度吸附层以维持吸附的稳定性，通过测定分散剂在固体颗粒表面的吸附层厚度可以直观反映空间位阻大小。分散剂在农药颗粒表面吸附后形成薄膜，可利用椭圆偏振仪进行测定。通过椭圆偏振技术可得到膜厚比探测光本身波长更短的薄膜，小至一个单原子层，甚至更小。椭圆偏振仪可测得复数折射率或介电函数张量，可以此获得基本的物理参数，并且这与各种样品的性质，包括形态、晶体质量、化学成分或导电性有所关联。它常被用来鉴定单层或多层堆叠的薄膜厚度，可量测厚度由数埃（Angstrom）或数纳米到几微米皆有极佳的准确性。

吸附分散剂前后农药颗粒的特征光电子经过农药颗粒表面后强度的衰减程度有所不同，可利用X射线光电子能谱（XPS）技术来分析样品表面的元素成分、原子内壳能级电子峰的强度及化学位移等信息，计算分散剂的吸附层厚度。

将制得的悬浮液用高速离心机离心，弃去上清液，下层残余固体经真空干燥后，用于X射线光电子能谱（XPS）的测定。使用带单色器的铝靶X射线源（Al Kα，hν=1486.7 eV），功率为225W（工作电压15kV，发射电流15mA），全扫描通能160eV，精细扫描通能40eV，步长0.1eV/步。实验全部数据均用CasaXPS数据软件包进行处理。对特征元素的精细谱进行解叠，获得各个单一谱峰参数（电子结合能、半峰宽、灵敏度因子、峰面积、含量）。

用X射线光电子能谱仪测定吸附分散剂前后样品的表面电子状态，通过特征光电子经过农药颗粒表面后强度的衰减程度，计算分散剂的吸附厚度d，按式（2-11）计算：

　　（ 2-11）

式中 Id ——经过厚度为d的吸附后的光电子强度；

　　 I0——初始光电子强度；

　　 d——吸附厚度，nm；

　　 λ——光电子的平均逸出深度，nm。

（六）样品表面形貌

吸附分散剂前后农药颗粒形状会发生一定变化，可用扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）研究样品表面形貌。原子力显微镜（atomic force microscope，AFM），是一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。将制得的悬浮液用高速离心机离心，弃去上清液，下层残余固体经真空干燥，用扫描电子显微镜、原子力显微镜对样品进行表面形貌测试。

二、悬浮剂开发方法研究

随着化合物开发的周期越来越长，投入越来越大，风险越来越高，如何延长化合物的生命周期，使老的化合物重新焕发出活力，对农药制剂工作者提出了新的挑战。同时随着表面活性剂技术的发展，新型表面活性剂不断开发和应用，给农药制剂工作者带来更多的选择。如何从大量表面活性剂中快速、准确地找到特定悬浮剂品种的助剂便成了新的难题，而传统的宏观式、经验式的手工配方筛选方式在一定程度上制约了悬浮剂的开发效率和悬浮剂质量的提升。因此，基于数据挖掘及大规模实验的高通量制剂开发平台应运而生。

高通量制剂开发平台通过科学合理的实验设计，利用自动机械装置，可以在短时间内完成大量平行样品的制备、在线数据采集和样品分析工作。高通量制剂开发平台的优点有：① 加快制剂开发的效率；② 整体设计，系统研究，避免重复性工作和人工操作误差；③ 数据详实、海量并可支持机理研究。

随着高通量制剂开发平台基础数据累积的完善、流程效率的提升，短时间内对农药悬浮剂进行微观、量化、精准地研究成为可能，并在大量有效、无效体系的积累中，可以对悬浮剂相应机理及配方特性进行系统地推导验证。

三、悬浮剂流变学行为研究

流变学（rheology）是研究物质的变形与流动的科学。流变学是介于力学、化学和工程学之间的交叉学科，也是一门具有较大难度但应用十分广泛的边缘科学。它主要研究材料在应力、应变、温度、湿度、辐射等条件下与时间因素有关的流动和变形的规律，其主要研究对象是非牛顿流体。实验原理、测试技术和测试设备的发展以及电子计算机的应用，推动着流变学研究向更广泛、更深入和更快速的方向发展。流变学相应地从连续介质观点研究材料流变性质的宏观流变学发展到应用统计物理学方法研究材料内部微结构的微观流变学。

农药悬浮剂作为环保型水基性的重要剂型之一，属于非均相粗分散体系，热力学和动力学方面均表现为不稳定，致使其在有害生物防治中存在长期物理稳定性问题。悬浮液流变学作为流变研究的一个重要分支，其内容涉及水性介质、牛顿流体、非牛顿流体等。研究表明，农药悬浮剂的长期物理稳定性问题在流变学上表现为非牛顿流体的性质，与其流变特性有关。农药悬浮剂的流变性主要取决于农药颗粒与助剂的性质，其中最重要的影响因子就是分散剂。不同的农药颗粒与不同结构和用量分散剂的相互作用，使农药悬浮剂产生不同的流变学特性。因此，研究农药颗粒与分散剂的相互作用，有助于改变农药悬浮剂的流变学特性，进而改善农药悬浮剂的长期物理稳定性和生物活性的发挥。

农药悬浮剂的流变性直接影响其物理稳定性，理想的农药悬浮剂应具有剪切变稀的假塑性特性，并具有适宜的触变性。触变性是悬浮液流变学研究的重要内容之一，是指一些体系在搅动或其他机械作用下，体系的黏度或剪切应力随时间变化的一种流变现象。它包括剪切触变性和温度触变性。触变性流体的表观黏度同时与剪切速率、剪切历史或受热历史相关。多数悬浮液均存在触变性，根据其规律可分为正触变性、负触变性和复合触变性。正触变现象最早是由Schalek和Szegvari于1923年研究水合氧化铁过程中发现的。所谓正触变性是指在外切力作用下体系的黏度随时间减小，静置后又恢复，即具有时间因素的切稀现象。负触变性正好与正触变性相反，是一种具有时间因素的切稠现象，即在外加切力或切速下，体系的黏度增大，静置后又恢复的现象。最早Crane于1956年发现5%聚异丁烯四氢萘溶液具有比较典型的负触变性，此后又发现不少高分子溶液具有此性质。复合触变性现象是发现最晚的一种现象，是指一个特定体系可先后呈现出正触变性和负触变性。1995年，文献报道在Al-Mg-MMH-蒙脱土分散体系中发现该现象，并首次命名。目前，已见报道的农药悬浮剂的流动曲线主要有两种类型：其一是剪切变稀的正触变性；其二是剪切变稠的负触变性。

对于悬浮体系，其流变性大体上可用以下6种流变模型来描述：① Newton模型：τ=ηγ；② Ostwald模型：τ=κγn；③ Bingham模型：τ=τy+ηpγ；④ Herschel-Bulkley模型：τ=τy+Kγn；⑤ Casson模型：τ½=τy½+γ½；⑥ SteigerOry模型：η=η∞+mγn-1。

大多数悬浮剂采用湿法研磨，通常悬浮液含固量较高，同时会产生许多微粒，所以悬浮液中的颗粒很容易形成絮团，致使浆体出现屈服值。分散剂就是通过改变颗粒的表面性质，使颗粒间作用力全部变为斥力，这样就可减小或消除屈服值并使浆体的流动性得以改善，达到提高研磨产品的细度、研磨效率及产量的目的。对于农药悬浮剂而言，应选用一种合适的分散剂并确定其适宜用量。分散剂用量不足会造成颗粒团聚，影响悬浮液的流动性，过量又会在经济上造成浪费，并且还会影响悬浮液的稳定性。

在悬浮剂配方筛选研究基础上，结合流体力学原理，探讨不同分散剂制备的农药悬浮体系的流变学行为。主要包括不同分散剂品种和用量对悬浮体系表观黏度-剪切速率的影响；研究分散剂用量为吸附平衡浓度时，采用经典流变模型分别拟合实验制备的农药悬浮剂的流动曲线，从中获得拟合相关性最高的流变模型，并考察表观黏度随时间的变化关系；同时考察增稠剂、贮存时间和方式、贮存温度对悬浮剂流变学行为的影响，以期更好地对悬浮剂理化稳定性进行预测、保持和评估，为悬浮剂加工过程及质量控制等提供理论，为固液分散体系的质量提升提供技术支撑。

四、药液物化性质研究

农药是人类生活中不可或缺的重要物资。随着人类的进步，人们对环境的要求越来越高，促使农药生产的不断发展和进步，农药在人类社会经济活动中发挥着越来越重要的作用。现阶段，我国农药使用过程中，兑水喷雾是最常用的农药使用技术之一，农药悬浮剂通常采用兑水喷雾的方式来使用。但在田间稀释倍数下，因液滴反弹、流失、飘移和飞行中的蒸发等因素会造成损失，同时由于药液往往不能在植物叶片上形成良好的润湿，黏附在指定靶标上的药液仅是少部分，加之不良的渗透、吸收或分配，造成药液流失严重。因此，控制药液流失、提高农药有效利用率是常规喷雾技术中亟待解决的问题。

要使农药发挥较高的效率，最重要的是药液要能在靶标物质上铺展和滞留，这就要求喷施的药液具有较好的润湿性，而表面张力和接触角是其效果评价的重要指标之一。在常规喷雾条件下，药剂过大的表面张力，不易使植物被湿润，还会导致药剂大量流失；而当表面张力太低时，因药剂的接触角过大，润湿展布能力太强，也会造成药剂易从叶面边缘上滴落的现象，这两种情况都会降低农药的有效利用率。研究表明，雾滴在与植物叶面接触瞬间的表面张力是动态表面张力（dynamic surface tension，DST），一般动态表面张力比静态表面张力（equilibrous surface tension，EST）要高，甚至与水的表面张力相接近。在某些体系中，动态表面张力比静态表面张力更能说明问题，例如，希望农药在喷洒后能在叶面上迅速铺展，就需要用动态表面张力来筛选助剂。实际上药剂喷雾过程是一个动态过程，雾滴能否在植物叶片上持留取决于雾滴的物化性质（如药液雾滴的粒径、运动速度、药液动态表面张力及其在叶面上的接触角大小等）。雾化过程中，雾滴的粒径和速度一旦确定即很难改变，因此探讨表面活性剂对药液在植物叶面上的接触角显得尤为重要。

农药剂型和制剂的研究开发，关系到农药的毒理学性能否得到充分发挥，这是农药最重要的问题之一。即使同一原药制成同一剂型，如使用的助剂不同，制剂的理化性质不同，喷洒后其雾滴的物化性质及在植物叶片上的持留量亦不同。可通过研究不同种类的分散剂所制备的悬浮剂药液雾滴的物化性质，如表面张力、动态表面张力和接触角，为农药悬浮剂加工和应用提供技术支撑。

1. 表面张力的测定

溶液表面张力的测定采用铂金板法。配制不同浓度的药液，重复测量3次，取其平均值。试验温度为（20±1）℃，试验误差范围为±1.0mN/m。

2. 动态表面张力

溶液动态表面张力的测定采用悬滴法。配制不同浓度的药液，重复测量3次，取其平均值。试验温度为（20±1）℃，监测时间范围为0～1000s，试验误差范围为±1.0mN/m。

3. 接触角

配制不同浓度药液，取2μL大小的液滴于一次性聚苯乙烯培养皿表面上，每30s测一次接触角，测8～10min，重复3～4次。拍摄2min、4min、6min、8min、10min液滴形状，试验温度为（20±1）℃，试验误差范围为1°。