40%丁硫克百威微囊悬浮剂的制备及表征

冯泽腾，李彦飞，王国强，张小军

(中农立华生物科技股份有限公司，北京 100052)

丁硫克百威(carbosulfan)是氨基甲酸酯类杀虫剂，是克百威低毒化衍生物，防治玉米矮化病或粗缩病药效无可替代[1]。玉米矮化病主要是由于金针虫、旋心虫等引起，其发生率近乎损失率，对玉米产区特别是我国东北地区沙壤土地带的玉米生产造成了严重的威胁[2]。随着克百威等高毒农药的逐步禁限用，开发理化性质及应用性能良好的丁硫克百威作为克百威的低毒化升级替代产品非常必要[3]。同时本品还具有调节植物生长的功能，具有促进幼芽及作物生长、提前成熟等作用，在种子处理上有良好的应用前景[4]。丁硫克百威现有登记剂型有乳油、水乳剂、悬浮剂、油悬浮剂、种子处理乳剂、悬浮种衣剂、种子处理干粉剂、颗粒剂和微囊悬浮-悬浮剂。乳油产品使用大量有机溶剂，对环境不友好，水乳剂、悬浮剂、油悬浮剂、种子处理乳剂、悬浮种衣剂、种子处理干粉剂和颗粒剂产品中的活性成分易流失、降解，不能最大化的发挥药效。浙江天一生物科技有限公司现有登记3%噻虫嗪+10%丁硫克百威微囊悬浮-悬浮剂是目前国内唯一一个丁硫克百威微囊产品，但丁硫克百威含量较低，尚无其他更高含量微囊产品。

微囊是一种将活性成分包覆于天然或人工合成的高分子壁材中，并在一定时间内按照某种函数模型以扩散等方式释放到环境中的技术[5]。制备农药微囊常用的方法有原位聚合法、界面聚合法、单凝聚法、复凝聚法和相分离聚合法等[6]。其中，界面聚合法是利用分别溶解在水相和油相里的囊壁材料在油水界面反应制备微囊的方法[7]。制备的微囊粒径分布可控，且具备生产设备简单、操作方便等特点，逐渐被农药制剂生产企业认可。农药微囊作为一种环保剂型，因其具有持效期长、安全等优点，是农药减量增效最为有效的手段之一，成为近几年的农药制剂研究热点[8]。国际农化行业针对微囊产品在大田防治中所遇到的实际问题不断进行理论研究和技术攻关，使得农药微囊化技术有了较大突破[9]。本研究制备的丁硫克百威微囊，制剂中活性成分质量分数高，性能稳定，可以有效延长持效期，减少用药次数。

本研究采用界面聚合法制备了40%丁硫克百威微囊悬浮剂，并对囊芯溶剂、囊壁材料用量、乳化剂种类、反应温度和固化温度等因素对成囊的影响进行了探索，对制备的微囊悬浮剂理化性能进行了测定。

1 材料与方法

1.1 试验材料

96%丁硫克百威原药(湖南海利化工股份有限公司)，环己酮(江苏润丰合成科技有限公司)，苯乙酮(分析纯，上海麦克林生化科技股份有限公司)，油酸甲酯(苏州丰倍生物科技股份有限公司)，玉米油(苏州丰倍生物科技股份有限公司)，溶剂油S-200(江苏华伦化工有限公司)，Lutensol®XL70 (BASF)，Phenylsulfonat CAL(CLARIANT)，司班 80(化学纯，国药集团化学试剂有限公司)，Atlox™CS100A(CRODA)，阿拉伯树胶(医药级，上海麦克林生化科技股份有限公司)，二苯基甲烷二异氰酸酯MDI(万华化学集团股份有限公司)，乙二胺(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)，Zephrym™PD 3315(CRODA)，Sag 1522(南京捷润科技有限公司)，卡松(山东万化天合新材料有限公司)，黄原胶(淄博海澜化工有限公司)，1,2-丙二醇(分析纯，上海麦克林生化科技股份有限公司)，透析袋MD34(8000-14000)(北京索莱宝科技有限公司)，吐温80(广东华纳化工有限公司)，去离子水(三级水，实验室自制)。

1.2 仪器设备

IKA/T25 数显型分散机、RW 20 D S25 数显型顶式搅拌器(德国IKA 公司)；OSB-2000 恒温水油两用槽(东京理化器械株式会社)；GHP-9080 隔水式恒温培养箱(上海一恒科学仪器有限公司)；CX22LEDRFS1 光学显微镜(日本奥林巴斯株式会社)；Hitachi SU8000 扫描电子显微镜(日本日立公司)；CP1502C 电子天平[精度 0.01 g，奥豪斯仪器(上海)有限公司]；AL204 电子天平[精度0.000 1 g，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司]；BT-2600 激光粒度分布仪(丹东百特仪器有限公司)；FE-28 pH 计[梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司]；DR-1030 冻融稳定性试验仪(北京勤诚亦信科技开发有限公司)；安捷伦1260 Infinity 高效液相色谱仪(安捷伦科技有限公司)。

1.3 丁硫克百威微囊悬浮剂制备方法

本试验采用界面聚合法制备40%丁硫克百威微囊悬浮剂，制备过程如图1 所示。

图1 丁硫克百威微囊悬浮剂制备过程

操作步骤：先准确称取41.7 g 96%丁硫克百威原药，在该体系中加入10.0 g S-200 溶剂油和5.0 g MDI 囊材，搅拌均匀后作为油相备用。将乳化剂、分散剂、保护胶和消泡剂加入到水中，剪切均匀作为水相备用。随后将油相缓慢倒入水相中，同时高速剪切制得水乳液。将此水乳液转移到三口圆底烧瓶中继续搅拌，恒温加热，缓慢滴加乙二胺水溶液，继续搅拌直至反应结束，最后加入防冻剂、增稠剂和防腐剂，搅拌均匀，制成成品微囊悬浮剂。

1.4 微囊悬浮剂理化指标的测定

1.4.1 微囊形貌表征

通过光学显微镜和扫描电子显微镜对试样外观形貌进行观察，并拍照、记录。

1.4.2 粒径大小及分布

通过激光粒度分布仪测定微囊悬浮剂的粒径。

1.4.3 其他指标测定

pH 指标参照CIPAC MT 75.3 进行测定，悬浮率指标参照CIPAC MT 184 进行测定，持久起泡性参照CIPAC MT 47.3 进行测定，湿筛试验参照CIPAC MT 185 进行测定，自发分散性参照CIPAC MT 160 进行测定，倾倒性试验参照CIPAC MT 148.1 进行测定。

1.4.4 包封率测定

称取0.5 g 丁硫克百威微囊悬浮剂试样于50 mL玻璃烧杯中，用10 mL 水稀释，经玻璃纤维滤纸(49 型，孔径约 1.0 μm)，再用 10 mL 水(分 2 次)洗涤烧杯和滤纸，然后将滤纸及残囊置于100 mL 容量瓶中加甲醇溶解，在超声波中振荡10 min，冷却至室温后定容至刻度，摇匀，备用。用高效液相色谱仪测定丁硫克百威的质量分数，并按下面方法计算制备的丁硫克百威微囊悬浮剂的包封率。

试样中丁硫克百威的总质量分数X1(%)按式⑴计算，囊内的丁硫克百威质量分数X2(%)按式⑵计算，游离(未在囊内)的丁硫克百威质量分数X3(%)按式⑶计算：

式中：A1为标样溶液中丁硫克百威峰面积；A2为试样溶液中丁硫克百威峰面积；A3为试样溶液中(囊内)丁硫克百威峰面积；m1为丁硫克百威标样的质量，g；m2为测定总有效成分的试样质量，g；m3为测定囊内有效成分的试样质量，g；P为标样中丁硫克百威的质量分数。

1.4.5 水中释放试验

用透析袋法探究室温下丁硫克百威微囊在水中的释放性能。加入乙醇和吐温80，最终配制为200 mL的释放介质(水∶乙醇∶吐温80=70∶29.5∶0.5，体积比)。将一定质量试样装入透析袋(截留相对分子质量：8 000～14 000 Da)，密封后浸泡在释放介质中。室温下于100 r/min 搅拌，每隔一段时间取0.7 mL上清液，每次取样后立即补充等体积的新鲜释放介质，通过HPLC 测定丁硫克百威的释放量。取3 次平行试验的平均值作为最终结果，并计算3 次平行试验的标准偏差。累积释放量的计算公式如下：

式中：Er为累计释放量，%；Ve为每次取样体积(0.7 mL)；Ci为第i次取样时释放液的浓度，mg/mL；V0为释放介质总体积(200 mL)；Cn为第n次取样释放液的浓度，mg/mL；n为取样次数；mpesticide为微囊包载的药物的总质量，mg。

1.4.6 储存稳定性测定

冻融稳定性在(20±2)、(-10±2)℃ 之间做4 个循环，每个循环为冻结18 h，融化6 h，恢复至室温后测定游离丁硫克百威质量分数、pH、倾倒性、悬浮率、自发分散性和湿筛试验，热储稳定性参照CIPAC MT 46.3 进行测定。

2 结果与分析

该配方主要针对囊芯溶剂的种类及用量、乳化剂种类、囊壁材料的用量、反应温度和固化温度进行筛选和探索。

2.1 囊芯溶剂的筛选

丁硫克百威原药，常温为黏稠液体，仍需添加辅助溶剂才能保证成囊稳定。本研究对比了环己酮、苯乙酮、油酸甲酯、玉米油和溶剂油S-200 共5 种有机溶剂，其中S-200 溶剂油在丁硫克百威成囊反应中表现最好，而使用其他4 种溶剂成囊粗糙、不规整，因此选用溶剂油S-200 作为囊芯溶剂。

由表1 可知：当溶剂油S-200 用量为0～3%时，成囊粒径大，表面粗糙；当S-200 用量为5%～7%时，成囊良好，但大小不均匀；当S-200 用量为10%时，成囊粒径小，囊型均匀；当S-200 用量增大到13%时，不能形成稳定水乳液。

表1 囊芯溶剂S-150 用量对微囊形貌的影响

2.2 囊壁材料MDI 用量对包封率和反应结果的影响

由表2 可知：当MDI 用量为1%时，不能成囊，随着MDI 用量的增加，微囊的包封率也随之增大，当用量为5%～6%时，包封率变化不大。说明当MDI用量1%～5%时，随着MDI 用量的增加，形成的囊壳会更加致密、完整，更有利于丁硫克百威原药的包封。当MDI 用量为5%时，即可制备得到包封率为93.7%、性能稳定的微囊。

2.3 乳化剂种类筛选

乳化剂是一种亲水亲油的两性分子，亲水基和亲油基分别位于乳化剂两侧，在乳化过程中能够降低油水两相间的界面张力，使乳滴在相互碰撞时不易聚集[10]。由表3 可知：在用量均为2%时，不同乳化剂所制备的微囊形貌差异较大。以Atlox™CS100A 为乳化剂时微囊形貌规整，大小比较均匀、饱满。因此，选择Atlox™CS100A 作为制备丁硫克百威微囊的乳化剂。

表3 乳化剂种类对制备的微囊形貌的影响

2.4 配方确定

通过上述试验，确定了制备40%丁硫克百威微囊悬浮剂的配方(表4)。

表4 40%丁硫克百威微囊悬浮剂配方

2.5 反应温度对成囊反应的影响

在成囊反应中，反应温度是一个重要的影响因素。本研究在不同温度下反应3 h，通过成囊反应中的试验现象，确定最佳反应温度为50 ℃。试验结果见表5。

2.6 固化温度对微囊稳定性的影响

固化温度也是影响微囊稳定性的一个重要因素，本试验在不同温度下固化1 h，当固化温度为60 ℃时，所形成的微囊较为完好，能顺利通过热储稳定性试验(表6)。

表6 固化温度对微囊稳定性的影响

2.7 微囊及微囊悬浮剂的检测与表征

2.7.1 微囊的形貌观察

通过光学显微镜和扫描电子显微镜对微囊试样进行观察，如图2 和图3 所示。从图中可以看出，微囊形态虽有轻度凹陷，但分布均匀，成囊良好，且囊间不黏连。

图2 光学显微镜(400 倍)下微囊形貌

图3 扫描电子显微镜(2500 倍)下微囊形貌

2.7.2 40%丁硫克百威微囊悬浮剂理化性能指标检测

制备的微囊悬浮剂其他理化性能指标见表7。结果表明，微囊悬浮剂各项指标均符合要求。

表7 40%丁硫克百威微囊悬浮剂指标检测结果

2.7.3 水中缓释试验曲线及释放机理

用透析袋法探究室温下丁硫克百威微囊在水中的释放性能并对释放机理进行数学模型拟合(图4)。

图4 丁硫克百威在水中随时间的累积释放量及Peppas 拟合曲线

试验中分别选择零级动力学、一级动力学、Peppas 和Higuchi 模型分析了缓释体系的释放机理。根据拟合结果以及相关系数(r2)，丁硫克百威的释放机理同时符合Peppas 模型及Higuchi 方程，与Peppas模型相关性最高，其中，当n＜0.43 时，扩散是由Fickian-diffusion 引起的，当 0.43＜n＜0.85 时，释放是由非 Fickian-diffusion 引起的[11]。由图 4 及表 8 可知，拟合的n值为0.725 7，表明在本试验条件下释放是由于非Fickian-diffusion 引起的。

表8 利用数学模型对释放数据进行拟合的动力学参数

3 结 论

本研究以聚脲为囊壁材料，通过界面聚合法制备了40%丁硫克百威微囊悬浮剂。确定了制备最佳条件：囊芯溶剂选用溶剂油S-200，用量为10.0%，囊壁材料选用二苯基甲烷二异氰酸酯MDI，用量为5.0%，亲水性囊材为乙二胺，用量为0.3%，分散剂选用Zephrym™PD 3315，用量为2.0%，乳化剂选用Atlox™CS100A，用量为2.0%，保护胶选用阿拉伯树胶，用量1.0%，50 ℃下反应时间3 h，60 ℃下固化1 h，所制备的微囊表面光滑，形态饱满，包封率大于90%，储存稳定性合格。该研究用于种子包衣可有效防治地下害虫，能大幅提高农药利用率，降低农药施用量，促进增产、增收，具有广阔的市场前景和应用价值。