第一章　微 乳 剂

第一节　概　述

1943年，Hoar和Schulman首次报道了水和油与大量表面活性剂和助表面活性剂（一般为中等链长的醇）混合能自发地形成透明或半透明的热力学稳定体系。这种体系经确证是一种分散体系，可以是O/W型或W/O型。分散相质点为球形，半径通常为10～100nm（0.01～0.1µm）。在相当长的时间内，这种体系分别被称为亲水的油胶团（hydrophilic oleomicelles）或亲油的水胶团（oleophilic hydromicelles），亦称为溶胀的胶团或增溶的胶团。直至1959年，Schulman等才首次将上述体系称为“微乳状液”或“微乳液”（microemulsion）。

自Schulman等首次报道微乳液以来，微乳的理论和应用研究获得了迅速发展。尤其是20世纪90年代以来，微乳应用方面的研究发展得更快。20世纪70年代微乳液开始应用于农业，美国专利（1974年）、日本专利（1978年）记载了微乳液应用于农药制剂加工的报道，但国外公司商品化的微乳剂产品很少，美国科聚亚公司的4.23%甲霜·种菌唑微乳剂是唯一一个国外公司在中国登记的微乳剂，并且其使用方式为拌种，主要原因可能是基于环境保护的考虑。我国在20世纪80年代后期开始研究，以水取代酒精或煤油，制成环境友好型家庭卫生用气雾剂或喷雾剂，直到20世纪90年代才真正开始农用微乳剂的研究开发，从拟除虫菊酯类农药开始，成功开发了氰戊菊酯、氯氰菊酯及其几个复配微乳剂产品，但其商品化速度很慢。据资料报道，1996年微乳剂登记产品数量仅有2个，微乳剂真正得到较快发展和普遍应用是在21世纪以后。我国农药销售市场乳油仍然占据比较大的份额，每年使用的有机溶剂（主要是二甲苯为主的“三苯”溶剂）近30万吨。这些溶剂在加工时不仅存在易燃易爆和中毒问题，而且在使用中可能对人类和哺乳动物构成直接危害，也严重污染环境，同时耗费大量资金和造成石化资源的浪费。农药微乳剂以水为介质，是一种安全、环保，可用于替代乳油的水基化剂型，环境保护的压力、石油能源的危机、微乳液应用理论与试验技术的进步加快了农药微乳剂产业化的发展，近几年，我国已有大量农药微乳剂产品上市，目前已成为微乳剂生产最多的国家。据不完全统计，我国农药微乳剂登记证截至2000年有33个，2004年达到183个，2010年462个，2012年524个，2013年699个。现在农药微乳剂的研究已涉及农用杀虫剂、杀菌剂、除草剂、卫生用药等领域，且正在深化和扩展，微乳剂等水性化制剂正在逐步替代乳油剂型。

一、微乳液简述

（一）微乳液的概念

微乳液是两种不互溶液体形成的热力学稳定的、各向同性的、外观透明或半透明的分散系，微观上由表面活性剂界面膜所稳定的一种或两种液体的微滴所构成。

（二）微乳液的结构与类型

微乳液通常是由表面活性剂、助表面活性剂（通常为醇类）、油（通常为烃类）和水或电解质水溶液在适当比例下自发形成的，外观为透明或半透明，粒径在10～100nm，具有超低界面张力，热力学稳定的乳状液。

微乳液分为W/O型、O/W型和双连续型3种结构：W/O型微乳液由油连续相、水核及表面活性剂与助表面活性剂组成的界面膜三相构成；O/W型微乳液则由水连续相、油核及表面活性剂与助表面活性剂组成的界面膜三相构成；双连续相具有W/O和O/W两种结构的综合特性。已有实验表明O/W和W/O型结构是球形，以小液滴分散在另一种液体中，球的半径为10～50nm；双连续型结构，Friberg认为是无序的层状结构，Scriven认为是有序立方液晶相，见图1-1。

微乳液具有极其多变的微观结构，而且随着客观条件的改变，不同类型的微乳液之间可以相互转变。这主要有两种情况：一种是微乳液在正相-反相的转变过程中经过一种特殊的双连续结构，在连续的转相过程中体系始终保持各相同性状态；另外一种相转变过程中，体系要经过各向异性的中间相及液晶相。影响微乳液结构的因素很多，主要包括表面活性剂分子的亲水性、疏水性、温度、pH值、电解质浓度、各相分的相对比、油相的化学特性等。

根据体系油水比例及其微观结构，Winsor将微乳液分为4种：即正相（O/W）微乳液与过量油共存，一般油相密度小于水相，过剩的油处于上部，微乳处于下部，故称下相微乳，又称为WinsorⅠ型微乳液；反相（W/O）微乳液与过量水共存，此时微乳处于水相上部，故称为上相微乳液，又称为WinsorⅡ型微乳液；中间态的双连续相微乳液与过量油、水三相平衡共存，上层是油，中层为微乳，下层为水，故称为中相微乳，又称为WinsorⅢ型微乳液；以及均一单分散的微乳液，称为Winsor Ⅳ型微乳液。根据连续相和分散相的成分，均一单分散的微乳液又可分为水包油（O/W）即正相微乳液（正相微乳液与过量水相共存）和油包水（W/O）即反相微乳液（反相微乳液与过量油相共存），如图1-2所示。

（三）微乳液的特性

在发现微乳液之前，人们已经发现了另外两种油水分散体系，这就是普通乳状液和胶团溶液。乳状液是一种液体在另一种与之不互溶的液体（通常为油和水）中的分散体系。在结构方面，微乳液与普通乳状液有相似之处，都有O/W型或W/O型，但普通乳状液分散相质点大、不均匀，外观不透明，易发生沉降、絮凝、聚结，因此，乳状液是热力学不稳定体系，靠表面活性剂维持动态稳定；而微乳液是热力学稳定体系，分散相质点很小，外观透明或近乎透明，经高速离心分离不发生分层现象。因此鉴别微乳液的最普遍方法是：对水-油-表面活性剂分散体系，如果它是外观透明或近乎透明的、流动性很好的均相体系，并且在100倍的重力加速度下离心分离5min而不发生相分离，即可认为是微乳液。

在油-水-表面活性剂（包括表面活性剂）体系中，当表面活性剂浓度较小时，能形成乳状液；当浓度超过临界胶束浓度（CMC）时，表面活性剂在水溶液或油溶液中将发生缔合，形成胶团或反胶团溶液，油或水作为分散相分别增溶于表面活性剂胶团或反胶团中，是热力学稳定的均相体系；当浓度进一步增大时，即可能形成微乳液。在稳定性方面，微乳液更接近胶团溶液。乳状液、胶团溶液和微乳液都是分散体系，从分散相质点大小看，微乳液是处于乳状液和胶团溶液之间的一种分散体系，因此它兼有胶团和普通乳状液的性质。因此，微乳液与乳状液，特别是胶团溶液有着密切的联系，而其复杂性又远远超过后两者。

从胶团溶液到微乳液的变化是渐进的，没有明显的分界线。要区分微乳液和胶团溶液目前还缺乏可操作的方法，习惯上从质点大小和增溶量多少将两者加以区别。表1-1列出了普通乳状液、微乳液和胶团溶液的一些性质比较。

（四）微乳液的类型鉴定

当制备微乳液时，一般人们已经预期其可能的类型是W/O或者O/W微乳液。但是，在许多情况下，一个样品只知道是微乳但并不知道类型，或者其类型可能发生了变化，这就要求有一些简单、方便的方法来鉴定微乳液的类型。通常用的方法有染色法、电导法及稀释法等。

1. 染色法

染色法是鉴别微乳液类型最直观的方法，根据油溶性染料（苏丹红Ⅳ等）和水溶性染料（亚甲基蓝等）在微乳中扩散速率的快慢来判断微乳液的类型。在微乳液中加入苏丹Ⅳ或亚甲基蓝，当亚甲基蓝的扩散速率大于苏丹Ⅳ，说明微乳液为O/W型；反之，为W/O型；当两种染料的扩散速率相当，说明微乳为双连续型。也可将少量油溶性染料加入微乳液中，摇动后整个微乳液都是染料的颜色，则是W/O型；若只是液滴被染色，则是O/W型。同理，也可用水溶性染料鉴别。

2. 电导法

电导法是根据O/W型微乳液比W/O型微乳液电导率大来判断微乳液的类型。通常O/W型微乳液具有较高的电导率值，W/O型微乳液则具有类似于油的低电导率值，在双连续区时水和油同时成为连续相，电导率有明显的突变，因此可以用来表征微乳液的相转变。采用离子型表面活性剂时，O/W型微乳液的电导率远大于非离子型表面活性剂，鉴别时要注意。此外，电解质浓度的大小与内相体积分数都对体系的电导率有很大影响。

3. 稀释法

微乳液易被分散介质所稀释，在微乳液中滴一滴油，若油滴易于在表面扩展，即为
W/O型；若不易扩展则为O/W型。同理，也可用水滴鉴别。

二、微乳剂的概念及特性

（一）微乳剂的概念

微乳剂（microemulsion，ME）是指农药有效成分或其有机溶剂溶液以水为介质，借助合适的表面活性剂或助表面活性剂，自发形成的热力学上稳定、光学上各向同性、外观为透明（或半透明）的单相液体制剂。其液径一般处在10～100nm，用水稀释时仍为透明的微乳液。

（二）微乳剂的特性

农药微乳剂是微乳液科学研究与发展的重要分支，微乳液所具有的超低界面张力以及随之产生的出色的增溶和超乎想象的界面交换能力，使农药微乳剂具有其他农药剂型无可比拟的优点。

1. 优点

（1）安全性高。农药微乳剂以水为连续相，少用甚至不用有机溶剂，减轻了对操作者和使用者的毒害，避免生产中出现易燃、易爆问题，增加了农药制剂在生产、贮运、使用过程中的安全性。

（2）环境相容性好。与乳油相比，微乳剂以水为基质，资源丰富，水无色、无味、无
毒，借助表面活性剂的作用将农药有效成分有效地包覆起来，减轻了农药气味，大量减少排放到大气、土壤、地下水和河流中的有机溶剂量，既节约了资源，又保护了环境，有利于生态环境质量的改善。

（3）有效成分的高度分散性。微乳剂兑水稀释仍然形成微乳状液，农药有效成分或其有机溶剂溶液在表面活性剂作用下被高度分散在水中，分散液滴粒径在0.01～0.1µm范围内，远小于传统剂型乳油对水稀释所形成乳状液的颗粒粒径（0.1～10µm），分散后所形成的液滴个数、液滴总表面积、液滴对靶体的覆盖面积等呈数量级变化，实现了农药有效成分使用过程中的高度分散性。

（4）农药有效利用率高。微乳剂的液径比乳油更小，在使用时喷雾液滴小；由于含有高浓度的表面活性剂，可以对不溶或难溶于水的农药有效成分起到增溶作用，通过增溶增加了原药与昆虫及植物表皮间的浓度梯度，有助于农药成分向昆虫及植物组织半透膜的渗透，提高药效；同时还可有效地降低表面张力，对作物和虫体有更好的润湿、铺展和渗透性，从而提高药液的吸收效率，提高药效。

（5）稳定性好。农药在配制后，直到使用前，一般要经过长时间贮存。微乳剂属于热力学稳定体系，在确定范围内，只要条件不改变，微乳剂可以长期存放而不发生分层和破乳，从而确保它在存放和贮运过程中的稳定。另外，在田间施用农药时，要求其经过加水稀释和简单搅拌后能够保持均匀的状态，以便通过喷雾器喷洒。农药微乳剂使用中兑水稀释自发形成的二次分散体系同样属于热力学稳定的微乳液体系，农药有效成分分散液滴间不会发生凝聚作用，能保持较高的稳定性，可长期放置而不发生相分离，从根本上解决了制剂贮存及使用中的稳定性问题。

（6）经济性。在加工中，低浓度的乳油需耗用60%～80%的有机溶剂，目前常用溶剂价格在9000元/t以上，微乳剂用水代替大部分或全部有机溶剂，尤其在加工低浓度（10%以下）微乳剂时其经济性更为明显。

（7）优良的倾倒性和低温稳定性。

（8）易加工和生产。只要配方合适，微乳剂能自发地形成，因此它易于加工生产。

2. 缺点

（1）加工的农药有效成分在水中稳定性有待提高。

（2）由于体系中有大量水的存在，有时产品在贮存过程中会变混浊或发生分层。

（3）极易发生转相和析出晶体，表面活性剂的用量要比相应的乳油多（有时高达30%），在有机溶剂价格低或用量少的情况下，微乳剂在成本方面就不再具有竞争力了。

（4）由于制剂特性，微乳剂中有效成分含量一般不高于25%。

（5）配方组成较为复杂，通常很难把握其内在规律，专用乳化剂品种和数量少，开发时间较长。

三、微乳剂的发展趋势

农药的类型和配方是依据使用对象来决定的，但环境和生态适应性的呼声不可避免的日益高涨。农药的可生物降解性和对操作人员的安全性也十分重要。这些因素不仅影响着农药有效成分的研究和开发，也同样影响着农药制剂配方的研发。微乳剂的生物活性、安全性、药害特性以及微乳基础理论等方面会得到进一步深化研究和完善。

1. 环保型微乳剂的开发

微乳剂以水为介质，生产、贮运的安全性大为提高，但也存在潜在的安全隐患：一方面因为微乳剂中表面活性剂的用量通常在10%～25%，比乳油、水乳剂中表面活性剂的用量要高很多，而大量表面活性剂的存在可能会与生物大分子结合或直接渗入细胞膜，也表现为经皮毒性高；另一方面农药微乳剂中所使用的某些醇类、酮类和酰胺类等极性溶剂与二甲苯的急性毒性相当，但具有极强的亲水性，这些溶剂渗入农作物、土壤和地下水后，清除和分离它们比苯类非极性溶剂更困难，对这些物质的慢性毒性也不可忽视，它们会对环境和食品安全构成新威胁。考虑安全隐患，对于生长期短的蔬菜和水田中，要慎用微乳剂。我们要进行环保型微乳剂的开发，降低农药微乳剂应用的风险。

（1）环保助剂、溶剂的应用。微乳剂采用大量水为溶剂，相对于乳油，其环保性大为提高，但生产中仍然应用了部分有安全隐患的助剂、溶剂，随着环境和生态适应性的呼声日益高涨，农药的生物降解性和对操作人员的安全性越来越受到重视，而助剂是制剂是否环保的根本。由于二甲苯、甲苯、正己烷、环己烷、乙腈和N,N-二甲基甲酰胺（DMF）等溶剂都已列入美国农药的Ⅱ类助剂（具有潜在毒性或是有资料表明具有毒性的物质）名单中，国内也在加强这方面的管理，逐步限制芳香烃溶剂和其他安全性较差的助剂的使用。采用易生物降解的表面活性剂作乳化剂、分散剂、润湿剂，用环境友好、污染小的溶剂取代卤代烃和芳烃等，这是微乳剂研发的必然趋势。

（2）降低表面活性剂和助表面活性剂的用量。可以通过优化微乳制备工艺来减少助剂用量，同时随着乳化剂的品种和质量的提高，乳化剂的用量减少，微乳剂的品质与含量可进一步提高。部分低含量微乳或常温下是液体的原药制作微乳剂可以不用溶剂或用少量环保溶剂制作出合格的微乳剂，其溶剂用量一般在10%以下，油相少所用乳化剂的量也少，其安全性、环保性进一步提高。

2. 应用效果的研究

农药微乳剂的早期研究以配方筛选为主，而一种好的制剂不仅要有好的物理、化学稳定性，同时要有好的应用效果，这就要求在选择助溶剂时，考虑与原药结构匹配的同时，也要考虑乳状液的形状、粒度及在植物或靶标单位面积上农药的颗粒数、展着面积。表面张力不能太低，否则乳液的黏着力和持效性降低，在叶面上停留时间短，这就可能导致在植物表面的滞留量反而低于普通的乳油制剂。近期农药微乳剂应用方面的研究越来越多，随着对应用效果的重视，相信关于该剂型的生物活性、作物安全性等方面的研究会越来越多。

3. 基础理论的研究

在20世纪80年代中后期，迫于乳油、粉剂等农药老剂型对环境的二次污染，工业发达国家开始了对农药微乳剂的研究，这一起步时间几乎与农药水乳剂相同。然而，人们对微乳技术的研究开发却还远远落后于水乳技术，水乳技术已建立了比较稳定的基础理论，而微乳技术到目前为止，其基础理论的研究尚处于百花齐放、百家争鸣的阶段。总体来说，对微乳体系的研究目前未达到成熟阶段，尤其是在形成机理的基础理论研究方面。

农药制剂微乳化是一个非常复杂的问题，涉及许多学科的理论与技术，随着微乳剂的发展，基础理论研究会越来越深入，这些研究将有助于提高农药微乳剂的质量与技术水平，微乳理论将能够更好地用于指导微乳剂的研发与生产。