第三节　悬浮剂的配方开发及工业化生产

目前，虽然许多农药生产企业和科研院所都在研究和生产悬浮剂，但一直以来，其稳定性尤其是长期物理稳定性一直是困扰农药生产企业，制约悬浮剂发展的主要问题。当前国内悬浮剂配方的研究多以宏观的、经验式的随机筛选为主，配比比较粗放、配方粗糙、成功率低，缺乏必要的理论指导，如稳定机理研究和流变学行为研究等，而且微观、量化、精准的表征应用较少。因此，在悬浮剂生产和使用中易出现分层、絮凝、结块，甚至药效不好的问题。悬浮剂的稳定性问题，尤其是长期物理稳定性问题，极大地制约着悬浮剂的质量提升。我们认为，在新型理论指导下，深化、细化、量化地进行悬浮剂的配方研究，是提高农药悬浮剂研究及生产水平的关键，也是使我国尽快树立进入国际市场的悬浮剂品牌产品，真正分享国际化大市场的关键，这对促进我国农药工业和悬浮剂产业化的发展具有重要意义。

目前，农药悬浮剂的品种繁多，国内外悬浮剂的加工工艺也不尽相同，但都有一个共同点，即都采用湿法超微粉碎法。

一、悬浮剂的开发思想

悬浮剂是由农药有效成分、湿润分散剂、增稠剂、防腐剂、稳定剂、pH调整剂、防冻剂和消泡剂等组成。针对国内外农药悬浮剂普遍存在的分层、絮凝、结块等物理稳定性问题，依据悬浮剂配方筛选中选用的助剂种类、品种和规格要求，在立足国内市场的前提下，积极从国内外先进化工集团引进悬浮剂关键配套技术，并在国内悬浮剂产业化中消化、吸收、应用和发展，以改善悬浮剂的稳定性问题，尤其是长期物理稳定性问题。

基于此，悬浮剂的开发可采用宏观配方优化筛选和微观量化表征相结合的方式，研究农药悬浮剂普遍存在的物理稳定性问题，同时为固液分散体系的物理稳定性提供技术支撑；研究悬浮剂关键影响因子表面活性剂尤其是分散剂的作用，如分散剂在农药颗粒表面的吸附行为、分散稳定机理等，重点探讨其对农药悬浮剂物理稳定性的影响；研究悬浮剂流变学行为，通过流变学模型的建立来评估悬浮剂的长期物理稳定性，探讨其对固液分散体系质量提升的作用；研究表面活性剂尤其是不同分散剂制备的喷雾药液的物化性质，研究喷雾助剂对药剂的飘移、挥发、渗透、迁移的作用，以期农药能发挥较高的利用率，减少对环境的污染；通过上述研究，旨在构建并优化适合于悬浮剂的助剂体系，重点解决当前国内外农药悬浮剂普遍存在的物理稳定性问题，使农药悬浮剂研究由宏观、经验式的、粗糙的配方筛选向微观、量化、精准的方向发展，为悬浮剂的长期物理稳定性评价提供新方法。

二、悬浮剂的开发方法

（一）悬浮剂的配方组成

1. 农药有效成分

农药原药是悬浮剂中有效成分的主体，它对最终配成的悬浮剂性能有很大影响。因此，在配制前，要全面了解原药本身的各种理化性质、合成工艺、生物活性及毒性等，同时对原药中重要的相关杂质应加以限制并提供分析方法。相关杂质（relevant impurity）指与农药有效成分相比，农药产品在生产或贮存过程中所含有的，对人类和环境具有明显的毒害，或对适用作物产生药害，或引起农产品污染，或影响农药产品质量稳定性，或引起其他不良影响的杂质。

用于加工悬浮剂的有效成分通常应满足以下几个条件：① 在水中的溶解度≤100mg/L，不溶解为最佳状态；② 熔点≥60℃，在制剂贮藏稳定变化大的情况下，原药的熔点会被降至更低，以防引起粒子的聚集，破坏制剂的稳定性；③ 在水中的化学稳定性要高。但随着目前表面活性剂技术的发展和湿磨工艺的改进，一些不符合悬浮剂加工条件的原药也逐渐可以加工成悬浮剂。

2. 分散剂

分散剂（dispersing agent）是指能够促进形成并保持稳定分散体系的物质，一般用量为0.3%～5%。悬浮剂是不稳定的多相分散体系，为保持原药颗粒已磨细的分散程度、防止粒子重新凝集成块、保证使用条件下的悬浮性能，必须添加分散剂。分散剂吸附在农药颗粒表面，影响颗粒表面的Zeta电位，使粒子之间的静电斥力增大，起到静电稳定作用，同时其高分子长链之间的相互作用又可起到空间稳定作用，这种双重的稳定效果被称为静电位阻稳定。一般情况下，分散剂过少，则颗粒吸附的分散剂量较少，其静电位阻作用发挥不充分，导致体系不稳定；而过多的分散剂不仅会增加离子强度，而且可能由于自由高分子链的相互桥连而导致体系失稳分散剂能在农药粒子表面形成强有力的吸附层和保护屏障，为此既可使用提供静电斥力的离子型分散剂，又可使用提供空间位阻的非离子型分散剂。常见的分散剂有木质素磺酸盐、烷基萘磺酸盐甲醛缩聚物、羧酸盐高分子聚合物、EO-PO嵌段共聚物等。

3. 润湿剂

润湿剂（wetting agent）是指使或加速液体润湿固体的物质，一般用量为0.2%～1%。出色的分散性能和优良的润湿性能对于确保有效而均匀地进行田间喷洒农药制剂至关重要。除了降低表面张力以外，润湿剂能使水分渗入原药颗粒中。随着水分到达颗粒内部，颗粒将以更快的速度润湿、崩解。在实际应用中，由于药剂表面张力的减小，可增大雾滴的分散程度，易于喷洒，促使活性成分迅速进入作用部位，发挥生物效应。因此要求润湿剂的分子结构中既有亲水较强的基团，又有与原药亲和力较强的亲油基团。常见的润湿剂有十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、二丁基萘磺酸钠、琥珀酸二辛酯磺酸钠等。

4. 增稠剂

增稠剂（thickener agent）是指能溶解于水中，并在一定条件下充分水化形成黏稠、滑腻溶液的大分子物质。一般用量为0.2%～5%。适宜的黏度是保证悬浮剂质量和施用效果十分重要的因素。根据Stockes定律：固液分散体系中粒子的沉降速度与三个因素有关：粒子直径、粒子密度与悬浮液密度之差、悬浮液的黏度。在加工悬浮剂产品中，通常加入增稠剂来提高分散体系的黏度。增稠剂加入量过少，可能会出现析水、分层等现象；而增稠剂加入量太多，则会使分散体系的黏度变得过大，从而影响悬浮剂产品的倾倒性。因此，合适的增稠剂用量，可使悬浮剂黏度适中，这样既能获得良好的贮存稳定性，又能得到悬浮率高的悬浮剂产品。常用的增稠剂有黄原胶、羧甲基纤维素钠、聚乙烯醇、硅酸铝镁、海藻酸钠、瓜胶等。

5. 防腐剂

防腐剂（preservative agent）是指加入食品、药品、颜料、生物标本等中，以延迟微生物生长或化学变化引起的腐败的天然或合成的化学物质。悬浮剂中由于添加了黄原胶等多糖类增稠剂，为了防止其霉变，需要添加防腐剂，用量一般为0.05%～0.5%。常用的防腐剂有：丙酸及其钠盐、山梨酸及其钠盐或钾盐、苯甲酸及其钠盐、对羟基苯甲酸钠盐、甲基对羟基苯酯、异噻唑啉酮（Proxel GXL）等。

6. 防冻剂

防冻剂（antifreeze agent）是指一种能在低温下防止悬浮剂中水分结冰的物质。一般用量为5%～10%。以水为介质的悬浮剂若在低温地区生产和使用，要考虑防冻问题，否则制剂会因冻结使物性破坏而难以复原，影响防效。常用的防冻剂多为非离子的多元醇类化合物等吸水性和水合性强的物质，用以降低体系的冰点，如乙二醇、丙三醇、聚乙二醇、尿素、山梨醇等。

7. 稳定剂

稳定剂（stabilizer agent）是指能防止或延缓农药及其制剂在贮存过程中，有效成分分解或物理性能劣化的助剂，一般用量为0.1%～10%。稳定剂通常有两个作用：其一是使制剂的物理性质稳定，即保持悬浮剂在长期贮存中悬浮性能稳定，减少分层，杜绝结块等。其二是使制剂的化学性质稳定，即保持悬浮剂的活性成分在长期贮存中不分解或分解很少，用以保证田间使用时的效果。在悬浮剂中常用的稳定剂有膨润土、白炭黑、轻质碳酸钙等。

8. 消泡剂

消泡剂（defoaming agent）是指能显著降低泡沫持久性的物质，用量为0～5%。农药悬浮剂的生产工艺多采用湿式超微粉碎，高速旋转的分散盘把大量空气带入并分散成极微小的气泡，影响生产过程的顺利进行。为此，需加入适宜的消泡剂，并要求必须同制剂的各组分有很好的相容性。常用的消泡剂有：有机硅酮类、C8～C10的脂肪醇、C10～C20饱和脂肪酸类及酯醚类等。有时亦可通过调整加料顺序、设备选型、真空机械脱泡等，避免泡沫产生，此时可不加消泡剂。

（二）悬浮剂的设计思想

1. 原药的选择

一种农药原药适合加工成何种剂型，一方面要考虑原药的化学结构、理化性质、生物活性及对环境的影响；另一方面还要考虑使用目的、防治靶标、使用方式、使用条件、用药成本等综合因素，使之最大限度地发挥药效，真正做到安全、方便、合理、经济地使用农药。

除草剂、杀虫剂、杀菌剂均可以加工成悬浮剂。不同的原药由于其化学结构及理化性质不同，加工成悬浮剂的质量亦有所不同。从产品的工业化角度考虑，农药有效成分的确定依据是：① 一般而言，在水中的溶解度不大于100mg/L，最好不溶。否则在制剂贮存时易产生奥氏熟化现象，即晶体发生长大现象。对于水中溶解度大于100mg/L的农药，通过助剂尤其是润湿分散剂的调整，也可制得稳定的悬浮剂，但加工的难度较大。② 在水中的化学稳定性高，对于某些不太稳定的农药原药可通过稳定剂来改善其化学稳定性。③ 熔点最好不低于100℃。这是因为制剂贮存时的温度变化大，且加入的表面活性剂和助剂可降低农药原药的熔点，一旦熔化，表面能增大，会引起粒子凝聚，破坏制剂的稳定性。同时，熔点高的原药在研磨时容易磨碎。随着现代仪器设备和助剂的发展，一些熔点低于100℃的农药原药也可制得稳定的悬浮剂。

2. 润湿分散剂的选择

作为热力学和动力学不稳定的固液分散体系，悬浮剂的稳定性问题，尤其是长期物理稳定性问题，一直影响其质量的提升。悬浮剂是由有效成分、湿润分散剂等不同影响因子组成的。其中，润湿分散剂以其优秀的润湿性能、悬浮性能和良好的吸附性能在悬浮剂研发中发挥着重要的作用，润湿分散剂的合理使用也是解决悬浮剂物理稳定性问题的关键。目前，用于悬浮剂的润湿分散剂，大多数是阴离子表面活性剂，且多具有润湿和分散双重性能。从近几年的发展来看，目前使用最为广泛的产品为烷基萘磺酸盐缩聚物，应用性能最为突出的产品为聚羧酸盐梳状共聚物，具有独特梳型结构和最具发展前景的产品为高分子梳状共聚物。

悬浮剂通常应用湿法超微粉碎工艺生产，生产过程中需添加润湿分散剂。润湿分散剂应符合如下规则：① 使聚集起来的或结块的粉末的内外表面都应该可以自发润湿，降低表面张力，并确保制剂在整个应用过程中都能得到快速而均匀的崩解。② 优良的分散剂应该可以使聚集或结块的粉末破碎成小碎块，随即在研磨过程中起辅助作用，即制成平均粒径为1～2µm的悬浮剂颗粒。③ 不会促进农药有效成分分解，最好还具有一定稳定作用。

3. 增稠剂的选择

增稠剂是农药悬浮剂不可缺少的主要成分之一，符合要求的增稠剂须具备以下三个条件：① 用量少，增稠作用强。② 制剂稀释时能自动分散，其黏度不应随温度和聚合物溶液的老化而变化。③ 价格适中而易得。

4. 防冻剂的选择

农药悬浮剂在贮存过程中，要求在严寒低温条件下仍能保持稳定性，这主要是防冻剂的作用。符合要求的防冻剂须具备以下三个条件：① 防冻性能好。② 挥发性低。③ 对有效成分的溶解越少越好，最好不溶解。

5. 消泡剂的选择

悬浮剂在生产和兑水稀释时不可避免地产生大量气泡。泡沫不仅给加工带来困难（如冲料、降低生产效率、不易计量），而且也会影响喷雾效果，进而影响药效。悬浮剂中的泡沫可以通过选择合适的助剂得到解决，必要时还可以加抑泡剂或消泡剂。符合要求的消泡剂须具备以下三个条件：① 用量少，消泡效果好而快。② 货源充足，价格适中。③ 与配方中的各组分相容性好。

（三）实验室配制

1. 配方设计

结合农药原药和助剂的选择原则，并在充分掌握原药和助剂性能、来源、产地和价格的基础上，进行配方设计。悬浮剂基本的配方组成为：

2. 实验室配制

在完成配方设计的基础上，进行实验室配制。首先，依据确定的农药有效成分，确定工艺路线；其次，选择合适的加工设备；最后，确定各组成因子的加料顺序。

（1）配制技术的选择。农药悬浮剂的配制技术通常有两种方法：一种方法是湿法超微粉碎法，另一种方法是热熔凝聚法。目前，国内大多数农药公司均采用湿法超微粉碎法，热熔凝聚法的应用并不普遍。

湿法超微粉碎法：就是将原药、助剂、水混合后，经预分散再进入砂磨机砂磨分散，过滤后进行调配的方法。该法得到的制剂粒径在0.5～5μm，大于1μm的粒子通常在85%以上。具体操作流程如图2-7所示。

热熔凝聚法：将熔融（或热溶解）状态下的农药和助剂的混合物（对在高温下易氧化的农药，必须隔绝空气）加入高速搅拌的去离子水中，搅拌、冷却至室温，补加其他助剂调配至需求。需要指出的是，有些农药品种可加入少量高沸点溶剂助溶。采用热熔凝聚法加工农药悬浮剂较早见于Bayer公司，此法制得的悬浮剂粒径小于1μm的粒子可占50%左右，有的高达90%。由于粒径小，所以药效得以充分发挥。但该法由于受农药理化性质的限制而应用较少。具体操作流程如图2-8所示。

（2）加工设备的选择。湿法超微粉碎法的主要加工设备有三种：① 预粉碎设备：以球磨机和胶体磨为主，较硬且脆性的物料用球磨机较好，细粉状的物料用胶体磨为宜。② 超微粉碎设备：以砂磨机为主，砂磨机分为立式开放式、立式密闭式和卧式密闭式三种。实验室使用立式开放式砂磨机较多，其原因在于结构简单、使用方便、价格便宜。③ 高速混合机和均质混合器，主要起混合均匀的作用。

（3）操作过程。

① 粗分散液的制备。按设计配方，将原药、润湿分散剂、增稠剂、防腐剂、防冻剂、消泡剂和水加入球磨机中，开动球磨机粉碎，取样检测颗粒直径达到74μm时，停止粉碎。

② 超微粉碎。将制备的粗分散液加入砂磨机中，适当加入消泡剂，启动电机，加入砂磨介质，通常使用玻璃珠或锆珠，直径以1.0～2.0mm为宜，装填量为砂磨机筒体积的70%，开通冷凝水，开始砂磨。取样检测颗粒直径达到2μm时，停止粉碎。过滤，除去玻璃珠，加入其他助剂进行调配，得到悬浮剂。

③ 均质混合调配。将制得的悬浮剂用均质混合器进行混合匀化，使粒子均匀化，提高制剂的稳定性。

④ 检测。将制备的悬浮剂进行各项质量控制指标测试，进行配方筛选。对较优配方进行不低于6次的平行实验，各项技术指标均达到配方设计要求者，确定为较佳配方。

三、悬浮剂的生产工艺

纵观国内外悬浮剂的加工工艺和设备的优点，我们认为，比较理想的工艺是多次混合、多级砂磨；比较理想的设备是均质混合器和卧式砂磨机；比较理想的砂磨介质是锆珠。比较典型的工艺流程如图2-9所示。

图2-9中的砂磨通常包括一级砂磨、二级砂磨及精磨。在我国众多的悬浮剂生产厂家中，能符合该工艺流程的并不多。有相当一部分厂家还采用20世纪80年代的设备——立式胶体磨，耗时、耗力、耗能，而且粒度分布范围较宽。有少部分厂家采用2台或3台卧式砂磨机串联，但基本上缺少精磨这个程序。

四、悬浮剂的生产设备

农药加工技术的快速发展是与高度精密的生产和分析设备的发展联系在一起的。从目前的发展趋势看，采用研磨设备是解决悬浮体系生产工艺中必不可少的手段和途径。研磨设备是悬浮体系加工中的主要设备，是保证产品细度指标的关键所在，目前最具有代表性的湿磨设备是砂磨机，它是可连续生产的研磨分散机械，用于研磨固/液相悬浮体的设备。根据砂磨机的性能和砂磨介质的要求，进入砂磨机的粗分散液必须达到一定细度，一般为200目左右，多通过球磨机实现。

1. 砂磨机

砂磨机是一种广泛应用于涂料、化妆品、食品、日化、染料、油墨、药品、磁记录材料、铁氧体、感光胶片等工业领域的高效研磨分散设备，也是农药悬浮剂加工的关键研磨设备。砂磨机是由球磨机发展而来的一种用于细粉碎和超微粉碎的研磨机械。砂磨粉碎的优点是：① 生产效率高。砂磨介质小，原料充填率高、滞留时间短，与同规模的干式粉碎机械相比，其处理能力可增大20%～30%。② 产品分散性好，细度均匀。③ 便于密闭式连续化生产，可与分级设备组成闭路粉碎系统。④ 生产成本低。闭路设备只需用管道及泵，所需其他辅助设备少，投资少。⑤ 无粉尘污染，利于安全化生产。

砂磨机分为立式和卧式，在规定容量的筒状容器内有一旋转主轴，轴上装有若干个形状不同的分散盘。容器内预先装有占容积60%～80%的研磨介质，由送料泵将粗分散液送入砂磨机内。由主轴带动分散盘旋转，使研磨介质与物料克服黏性阻力，向容器内壁冲击。由于研磨介质与物料流动速度的不同，固体颗粒与研磨介质之间产生强剪切力、摩擦力、冲击力，而使物料逐级粉碎。研磨分散后的物料经过动态分离器分离研磨介质，从出料管流出，而研磨介质仍留在容器内。容器外面有夹套，通过冷却水控制温度，一般控制在30～40℃。

砂磨粉碎效率与研磨介质、分散盘形状、数量、组合方式和分离系统有关。① 研磨介质是破碎过程中能量的中介体，所有介质研磨效率及产品品质都与介质的种类、尺寸、密度、填充率有关。目前常用的砂磨介质有玻璃珠、硅酸锆珠、氧化锆珠。玻璃珠：密度小，研磨效率低，消耗量大，但仍为少数农药厂家使用；硅酸锆珠：熔融法生产的硅酸锆珠存在空心缺陷，使用一段时间后破碎，磨穿内筒及引起机械密封失效，现已被淘汰；氧化锆珠：密度大，效率高，寿命长，一般使用18个月才需补充一次。已被大量农药厂家使用。② 分散盘结构。根据物料性质，选择分散盘的形状、数量并确定排列组合。分散盘有多种形状，基本形状有圆盘状、藕片状、风车状三种类型，各有不同效用，须适当配合，及时调整，特别要与物料的黏度、浓度相适应。③ 分离系统：研磨介质分离系统是砂磨机的重要组成部分，其作用是将研磨过的物料与研磨介质分开，目前常用的分离系统有静态分离系统和动态分离系统，静态分离系统在使用小研磨介质时容易出现堵塞，动态分离系统可使用很小的介质，研磨效率高，砂磨机出口不堵塞。

早期使用的砂磨机多为立式开放式的，生产、维修和操作方便，目前仍在使用；其缺点是粉碎效率低，原因在于高速分散的分散盘会将大量空气分散到悬浮剂中，造成体积膨胀，需加大量消泡剂加以解决。目前，我国使用的砂磨机主要有3种机型：立式开放式、立式密闭式和卧式砂磨机，以卧式砂磨机使用居多，卧式砂磨机特别适合分散、研磨黏度高而粒度要求细的产品，材质分为碳钢和不锈钢。

2. 胶体磨

胶体磨主要起预分散和预粉碎的作用，通常用于制备粗分散液。其优点是体积小，生产能力大，产品粒度细，通常为5～20μm，均匀度好，大大提高了砂磨机的研磨效率。但对物料进口细度有一定要求，通常为1～4mm。

3. 球磨机

球磨机同胶体磨作用相似，主要起预分散和预粉碎的作用，通常用于制备粗分散液。其优点是：① 一次装料多，且可多可少；② 操作简便，易于掌握、维修；③ 间歇式操作；④ 一机多用，可配料、混合，也可进行粗粉碎；⑤ 适用于不同硬度、大小的物料；⑥ 密闭粉碎，泡沫少，便于安全化生产。

4. 均质混合器

均质混合器是通过高速冲击、剪切和摩擦等作用以实现对物料破碎和匀化的设备，主要起预分散和预粉碎的作用，通常用于制备粗分散液。其基本原理是物料在高速流动时的剪切效应、高速喷射时的撞击作用、瞬间强大压力降时的空穴效应三重作用下，达到超细粉碎，从而使互不相溶的固-液混悬液均质成固-液分散体系。均质混合器主要由柱塞泵以及与其组合的泵体和均质阀组成。柱塞泵的作用是以0.25～0.5m/s的低速将具有一定黏度的物料吸入泵体，通过与均质阀连接的调压装置对均质系统调压，并对物料加压，使物料粉碎和匀化。在现代农药悬浮剂加工中，均质混合器的使用越来越多。