CN103517757A - 自组装聚合物颗粒释放系统 - Google Patents

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CN103517757A CN201180064646.0A CN201180064646A CN103517757A CN 103517757 A CN103517757 A CN 103517757A CN 201180064646 A CN201180064646 A CN 201180064646A CN 103517757 A CN103517757 A CN 103517757A
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V.D.麦克金尼斯
小罗伯特.S.惠特莫尔
K.D.蒙森
M.S.罗肖恩
K.B.斯帕尔
S.M.里瑟
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Abstract

自组装定义为：与聚合物或多种聚合物(固体或液体状态)混合时，活性成分(AI)与聚合物/多种聚合物形成复合物的能力或与聚合物/多种聚合物的强吸引的能力，自组装影响整个系统的控释。这种AI-聚合物的相互作用或强吸引可以在固态或在溶液中形成。AI-聚合物的相互作用也可以在施加至滤纸、土壤、种子或植被基底时形成，在此AI和聚合物自组装成AI-聚合物-基底的基体或复合物，其影响AI如何以受控的方式从所述复合物或基体释放。

Description

自组装聚合物颗粒释放系统
相关申请的交叉引用
无。
关于联邦资助研究声明
不适用。
背景技术
众所周知，在现有技术中，固体、液体或气体活性成分能被引入到液体或固体的核心结构中并用作控释产品。还已经知道可以通过固体或液体的外壳或外涂层系统进一步保护该基本核心结构不受环境影响，以产生更复杂的控释产品(controlled-release product)。已知有很多的方法(原位聚合法、凝聚法、喷雾干燥法、界面聚合法)，通过这些方法可以创建纳米到微米尺寸或更大尺寸的胶囊，其可以保护活性成分(AI)免受周围的影响。下列的参考文献包括了与微胶囊和纳米胶囊的制备相关的现有技术的描述。
1.Microcapsule processing and technology,Asaji Kondo(edited by J.WadeVan Valkenburg),Marcel Dekker,Inc.,New York,1979.
2.H.M.Goertz(1993)in Kirk-Othmer Encyclopedia of ChemicalTechnology,Vol.7:Controlled Release Technology,Agricultural,pp551-572.
3.Controlled-release delivery system for pesticides,H.B.Scher,editor,M.Dekker,1999.
4.ACS symposium series;33,Controlled release polymeric formulations,D.R.Paul and F.W.Harris,editors,1976.
5.ACS symposium,Controlled-Release Pesticides,1977.
现有技术
美国专利No.5,883,046通过制备水溶性聚合物的水性溶液，并添加由包含AI和过氧化物的苯乙烯/聚酯液态树脂组成的非水相来生产AI的微胶囊。该水包油型悬浮液在高剪切下混合，加热以引发聚合反应，从而产生含有AI的微胶囊。该公开中公开的聚合物仅可与如下Al一起使用，该Al对于与形成交联的苯乙烯-不饱和聚酯树脂结构有关的引发、链增长和终止期间产生的自由基是非反应性的。与该专利的乙烯基单体-不饱和聚酯相关的溶解度参数是有限的，且仅与有限的AI化合物种类具有内部的相容性。这些微胶囊的控释特性也仅通过胶囊壁的厚度和不饱和聚酯树脂的交联度控制，该公开中并没有使用或启示额外的控释增强。
美国专利No.4,534,783中使用油或有机液体以及油溶性的烷基化的聚乙烯吡咯烷酮乳化剂(第一壳)和保护聚合物、聚酰胺、聚磺酰亚胺聚酯、聚碳酸酯、或聚氨酯作为第二保护壳来包封水溶性除草剂(水相)。这些聚合物结构通过使用可以与一些现今使用的Al反应的反应化学产品(胺或二-或多元酸氯化物和异氰酸酯)来构造。这些胶囊宣称是稳定的，但它们不包含例如扩散控制剂或胶囊破裂剂，这些胶囊在贮存时以及使用前是稳定的，但是在胶囊与土壤或植物表面接触时变为有活性。该公开的聚合物系统也是只针对水敏性AI而设计。该公开中所采用的聚合物是水敏性的(Modern Plastics&Encyclopedia,1991,McGraw Hall)，但没有任何迹象表明有多少AI在存储过程中或应用之后释放到胶囊外。
美国专利No.4,557,755仅对在水中的溶解度低(1g/100ml)的AI是可操作的，并且使用水溶性的阳离子脲树脂和甲醛、脲、三聚氰胺和硫脲的预聚物包封。在水性环境中形成三聚氰胺-甲醛预聚物，然后与水性的脲-甲醛聚合物混合，然后两个系统都加入到水溶性的胺盐(阳离子)脲树脂的水溶液中，形成胶囊前体(precapsule)介质。将AI加入到胶囊前体(precapsule)介质中，乳化、并酸化以微胶囊化AI。这些胶囊化产品的主要不足是只能通过改变胶囊的壁厚才能控释所述AI。该专利中没有界面控制剂或改性剂用于控制AI的释放。
美国专利No.4,344,857使用在AI的存在下能够与酸凝固以形成悬浮液的多羟基聚合物淀粉-黄原酸酯的水溶液，其宣称然后通过工艺包封。该公开文本还公开了使用过氧化氢产生包封的AI产品。如果过氧化氢与一些不同的AI结构接触，则会存在改变该AI的化学性质的化学反应。该公开的对于胶囊或包封的产品的尺寸没有描述，并且除壁厚之外没有控制Al的释放速率的任何方式。这些胶囊的聚合物是水敏性的，不能在水/包封的产品液体系统的存储期比一天长的水溶液/悬浮液应用中使用。
美国专利No.5,599,583在无水包封过程中使用熔融的水溶性聚合物作为Al的粘合剂。这种工艺对不溶于水的AI是敏感的，因此限制了该工艺用于更为水溶性的AI结构。预计这些水溶性聚合物在水性应用交付系统中的长期稳定性也是非常有限的。
发明概要
本公开是一种用于构建带有(bearing)活性成分(“AI”)的自组装聚合物颗粒(self-assembling polymeric particle)的方法。第一步是确定AI的溶解度参数，其中，所述AI具有针对用户定义的应用的用户定义无需AI证实的特性(userdefined characteristic not evidenced by the AI for a user defined application)，例如过慢、过快、过于有穿透性(penetrating)或者没有充分穿透性(insufficientlypenetrating)。下一步是使AI的溶解度参数和第一聚合物的溶解度参数匹配，以形成AI/第一聚合物的稳定共混物。再下一步是确定第二聚合物界面控制剂(polymeric interface control agent)，该第二聚合物界面控制剂协助AI/第一聚合物共混物中的AI表现针对用户定义的应用的用户定义的特性(assists theAI in the AI/first polymer blend to evince the user defined characteristic for theuser defined application)，并且共混第二聚合物界面控制剂和AI/第一聚合物共混物以形成第二共混物。如果第二共混物在水中是不稳定的，则向第二共混物中添加水稳定添加剂(water-stabilizing additive)。最后一步是如果存在水稳定添加剂，制备第二共混物和水稳定添加剂的水稳定共混物。由此形成的水稳定的第二共混物通过在表面上沉积第二共混物形成自组装聚合物颗粒，自组装聚合物颗粒具有AI的核，以及包封AI的第一聚合物、第二聚合物界面控制剂和水稳定添加剂，根据需要存在。
还公开了带有活性成分(“AI”)的自组装聚合物颗粒，其中，AI具有针对用户定义的应用的用户定义无需AI证实的特性。该自组装聚合物颗粒还具有第一聚合物，该第一聚合物具有与Al相匹配的溶解度参数，以用于形成AI/第一聚合物稳定共混物。该自组装聚合物颗粒还具有第二聚合物界面控制剂，该第二聚合物界面控制剂协助AI/第一聚合物共混物中的AI表现针对所述用户定义的应用的所述用户定义特性，在此第二聚合物界面控制剂与所述AI/第一聚合物共混物共混以形成第二共混物。如果第二共混物在水中是不稳定的，可将可选的(optional)水稳定添加剂并入到第二共混物中。第二共混物分散在水中，通过在表面上沉积水性第二共混物形成自组装聚合物颗粒，在此，所述自组装聚合物颗粒具有AI的核，以及包封AI的第一聚合物、第二聚合物界面控制剂和水稳定添加剂，根据需要存在水稳定添加剂。
发明详述
在继续之前，给出以下定义和缩写。
有关活性成分(AI)受控释放的现有技术信息的大部分可以由图1的图表来描述，其中，所述AI被热塑性(TP)或热固性聚合物(TS)或涂层包围或包封。
在本公开中，我们提出了一种不同类型的AI包封模式，该模式选择和设计聚合物和其他材料，从而实现了现有技术未曾预料的AI的释放能力的增强控制。本公开的AI包封模式示于图2中，并显示Al和第一外部聚合物1或涂层1[热塑性(TP)/热固性(TS)]之间的界面[界面或扩散控制区(IC1)]以及AI和外部聚合物1或涂层1(TP/TS)之间的缔合(association)[相互作用设计参数(INDP1)]对于确定如何控制AI的释放过程是决定性的。本公开的另一个特征为外部环境控制表面(OECS)。
然而，在现有技术中，没有提及如何设计所述胶囊的界面或扩散控制区(IC1)，本公开中定义为AI和第一(1)外壳(TP/TS聚合物或涂层)之间的区域。现有技术中，也没有明确描述如何控制所述AI与第一(1)包封壳体材料本体(bulk)的相互作用。本公开中，针对这样的控制(即现有技术中的不足)公开和定义了相互作用设计参数(INDP1)。OECS有助于控制贮存中AI系统的整体稳定性，并且辅助控制当施用至土壤或植物表面时AI系统与外部环境的相互作用。OECS可以是表面活性剂、改性的/功能性聚合物、或甚至是无机或有机填料。OECS可以与INDP1是相同的，也可以是不同的材料。
即使在现有技术的核壳包封产品中，这些关键的设计特征都没有解决，这限制了上述结构在活性成分(AI)控释方面实现它们全部潜力的能力。
图3显示用于本公开的一种核/壳IC/INDP模式，以形成针对AI具有多种聚合物涂层的制剂。可针对乳液(水包油或油包水或粉末分散体)和树枝状大分子(dendrimer)AI控释输运系统描述的本公开的类似模式如图4和图5所示。
因此，可以通过在AI和与AI接触的第一聚合物(TP/TS聚合物1)之间加入少量的含有官能团(例如醇、酸、胺、疏水性的、亲水性的、非离子的)的材料来改变本公开中的IC1界面控制区域。可以用作IC1改性剂的包含官能团的材料可以为例如：与AI具有相同的或不同的溶解度参数的增塑剂、聚合物、表面活性剂、小分子，或通过相互作用设计参数的制约与AI紧密联系的第一聚合物。针对聚合物的界面控制(IC1)剂的关键要求之一是总溶解度参数(δT)，或任何的δd、δh、以及δp参数与针对AI-聚合物1的系统的相互作用设计参数(INDP1)相比，应该至少有1～2个单位不同。图7是描述本公开的概念的另一种方式。
OECS可以是与INDP1相同或不同的材料。OECS材料可在外部聚合物中，或者可以是聚合物表面的外侧上的外部极性的(非极性/极性)官能团。
在这个模式中，INDP1是AI-聚合物1缔合的相互作用设计参数。IC1是AI和聚合物1之间的界面控制区域。EO是扩散到聚合物1(D1)表面，且然后以各种方式渗透并穿过(D2)聚合物2到AI和聚合物1之间的IC1区域的外部环境(水)。所述界面控制区域和界面控制或扩散剂/官能团影响AI自胶囊中向外输送和水向所述胶囊中扩散(界面现象机理)。INDP1模式更多的是本体现象(more of a bulk phenomenon)，并控制AI在聚合物中的溶入溶出性。
如果AI与聚合物1之间的相互作用强(INDP1大)，以及如果IC1区域小(不受Eo影响)，并且如果D1和D2均小，这将会产生非常稳定的AI内部环境，但这样的制剂表现出较差的控释性能。
如果AI与聚合物1之间的相互作用弱或吸引力小(INDP1小)，以及如果IC1区域大(强烈地受Eo影响)，并且如果D1和D2均足够大，那么这将产生具有差控释性能的非常不稳定的AI内部环境。
聚合物1和聚合物1的外表面改性或聚合物1表面内或上的其他材料例如表面活性剂或无机填料也强烈地影响贮存中的以及施用至土壤或植物表面后整个系统如何表面(OECS)。以下材料的相互作用描述了本公开中的材料界面如何控制的通常情况。
1.AI–P1其中INDP1强[AI和P1溶解度参数紧密(close)(1到2个单位)对齐(alignment)/重叠]
2.AI–P1其中INDP1弱[(AI和P1溶解度参数部分(some)(2到3个单位)对齐/重叠]
3.AI–P1其中INDP1是非反应性的[(大于4个单位)AI和P1溶解度参数对齐/重叠]
4.AI–IC1–P1其中IC1与AI和P1强耦合，其中ICI1与AI但不是P1强耦合或与P1而不是AI强耦合
5.x–P–x其中x=控制IC1和OCES的官能团
6.IND1和IC1=用于促进或阻碍AI从胶囊向外的传输速率控制的无机填料和表面活性剂、聚合物或小分子，不论是在贮存中或是施用至目标表面(土壤、植物)及与其相关的环境后。
7.INDP1或OECS=用于促进或阻碍AI从胶囊向外的传输速率控制的无机填料、和聚合物、功能性聚合物、小分子物质、表面活性剂，不论是在贮存中或是施用至目标表面(土壤、植物)及与其相关的环境后。
溶剂和聚合物的溶解度参数的定义，可以在溶解度参数的CRC手册(CRCHandbook of Solubility Parameters)，第二版，A.F.Barton,CRC Press,BocaRaton,Florida,1991和聚合物手册(Polymer Handbook)，第四版，J.Brandrup,etal.,editors,John Wiley&Sons,Inc.,New York,1999中找到。
在本公开中，我们介绍了一些材料的新组合，这些材料放在一起可以形成杰出的AI控制释放系统，其可应用于许多控制材料界面和系统中。
在本公开中，我们特别地对聚合物进行改性以同时控制AI-聚合物界面和AI-聚合物相互作用设计参数从而使控释效率最大化。通过该工艺我们制备的复合材料(composite)或多层结构如下：
1)针对每个感兴趣的AI建立模型(溶解度参数、表面能量、酸/碱性质、log P、水合能、McGinniss方程参数)。
2)针对与AI具有强和弱缔合两者的聚合物、油或树枝状大分子建立模型[溶解度参数、表面能量、酸/碱性质、溶液粘度、离子/非离子的HLB值、McGinniss方程参数(美国专利No.4,566,906和其参考文献)]。
3)选择那些对AI具有最强吸引或增溶量(solubilization capacity)并且与系统的相互作用设计参数(INDPn)相关的聚合物；与AI或系统中其他聚合物弱缔合的聚合物可以作为界面控制(ICn)区域改性剂。
4)在如下两种环境下使用设计参数控制外部聚合物结构的界面，所述两种环境为输送之前贮存的环境和施用至其预定目标时所看到的环境(外部环境控制表面-OECS)。
本公开中描述的另一个概念是引入应力集中件(stress concentrator)/胶囊破裂特征[诱导应力增强剂(ISEA)]，该物质在合适的条件和环境引起胶囊壁或胶囊本体破裂，从而获得了针对AI的移出或快速扩散出胶囊的增强地输送控制机制。在这方面，参见图8。这些具体的应力增强剂/材料或特征(孔/纳米到微米尺寸范围)诱导应力或裂缝在该胶囊壁中以及表面(外/内)的形成；胶囊的本体也使水更快的扩散，从而增加胶囊分解和AI释放的整体速率。可以通过pH值的改变、热冲击、温度和力学或其它物理机械过程的变化来激活这些具体的ISEA材料。交联密度、水溶胀和多个Tg域的变化也可以影响胶囊结构中应力集中体和微空隙或孔的产生。图8显示了具有多种聚合物分散体和内部应力增强剂(ISEA)和纳米/微米孔隙结构的AI胶囊。
自组装AI-土壤的相互作用
在本公开中，自组装可定义为当AI与聚合物或多种聚合物(固体或液体状态)混合时，AI与聚合物/多种聚合物形成复合物或强吸引的能力，其影响整个系统的控释。该AI-聚合物的相互作用或强吸引可以在固态或溶液中形成。所述AI-聚合物的相互作用也可以在施用至滤纸、土壤、种子、或植被基底(plant vegetation substrate)时形成，在此AI和聚合物自组装成AI-聚合物-基底的基体(maxtrix)或复合物(complex)，其影响AI如何以受控的方式从复合物或基体释放。
当可以与土壤(S)基底形成中间复合物结构的所有材料均是可溶的、所有材料是可分散的、或一些材料是可溶的且其他的是可分散的时，在溶液(水性或非水的)中AI和聚合物(P)材料至少有5种可能的组合，如下所示：
Figure BDA00003490901900081
在式1中，如果k1大，那么AI-S的复合物强，并且AI会倾向于留在其所施用的土壤区域中，并且不会显著地从这个区域迁移。但是，如果k1小，那么所述土壤和AI之间没有很强的吸引，因此AI可以容易地迁移通过土壤。
对于聚合物与土壤相互作用(式2)形成的复合物可得到类似的结论，其中的大或小的k2值等同于聚合物迁移通过土壤或停留或在其施用的土壤区域的能力。
在我们的公开中，当施用至滤纸，干燥、并随后用水洗涤时，我们发现某些AI-聚合物的组合可以形成复合物或独特的缔合物，产生AI的控释过程(式3)。如果不存在特殊的聚合物材料，那么就没有任何东西保持AI或与AI缔合，并且AI会迅速地通过滤纸。将这些AI-聚合物组合施用至土壤时，我们也观察到非常相似的结果。
在施用AI/聚合物组合的情况下，土壤在决定哪个竞争性复合物结构将会形成并因此强烈地影响整个系统的控制速率方面起着重要作用。
例如，如果AI-P复合物在溶液中的缔合强(k3大)，那么当该系统施用至土壤时，可以发展成几种可能的情况。第一种情况(式4)，如果k3和k4均大，那么当下雨时AI可能不会轻易地释放，并且因此AI通过土壤的迁移会受到阻碍。然而，如果土壤削弱了AI-聚合物复合物(k3小但k4大)，那么AI会有从聚合物中释放并迁移通过土壤的倾向。当AI-聚合物复合物的k3大但k4土壤相互作用参数小时，会发生另一种情况，可能AI-聚合物复合物作为整体迁移通过土壤，并在该过程中缓慢释放AI。
另外的可能是，聚合物具有首先与土壤形成复合物的更大趋势，然后与AI随后相互作用。在这种情况下，如果k2和k5(式5)均大，那么AI趋向于留在聚合物-土壤复合物形成的区域中。如果k2和k5中的一个小，那么可能会有利于AI通过土壤的迁移。
在本公开中，我们限定需要以独特的方式组合的AI和聚合物结构的种类与参数，以促进施用至土壤基底时AI的控释。
对于与植物、滤纸、植物表面或种子、或其他类型的多孔或无孔的表面相互作用的本公开的AI和聚合物也可以做出类似的讨论。
在本公开中，我们首先展示了在滤纸上的AI-聚合物自组装过程，然后验证了在滤纸上观察到的相同的自组装结果也适用于对土壤的测试。
McGinniss方程
该McGinniss方程首次由Vincent D.McGinniss在ACS Organic Coatingsand Plastics Chemistry,Volume39,Preprints of Papers,ACS,Division of OrganicCoatings&Plastics Chemistry,Miami Beach Florida,Sept.10-15,1978,pp529-534中发表(“Prediction of Solvent and Polymer Characteristics Throughthe Use of Easy to Measure Properties”)。
补充论文[“Prediction of Solvent and Polymer Characteristics(correlationwith Physical Properties and Chemical Structures”)]发表在Organic Coatings andApplied Polymer Science Proceedings,VOL46,Preprints of Papers Presented bythe Division of Organic Coatings and Plastics Chemistry,183rd National Meeting,Las Vegas,Nevada,March25-April2,1982,pp214-223。
这些方程式的其他的出版物以及应用，可以在美国专利4,566,906(Anti-Fouling Paint Containing Leaching Agent Stabilizers)和美国专利4,877,988(Piezoelectric and Pyroelectric Polymers)和Polymer Vol.36,No.6,pp.1127-1131,1995(Determination of the piezoelectric/pyroelectric response ofpolytrifluorovinyl acetate and other piezoelectric materials)中找到。
通过使用McGinniss方程，材料的许多化学/物理、电和机械性能可以与它们的化学结构相关联。如果需要关联芳族/乙烯基替代不含不饱和基团的结构的材料，McGinniss方程是感兴趣的材料中杂原子的非碳重量分数(χ杂原子)和它们的π电子的重量分数(z')的线性或非线性的组合。
例如：CH2=CHO2CH3(乙酸乙烯酯)分子量为86.09，其杂原子是氧，它具有2个π电子。McGinniss方程参数χO=2×16(氧的原子量)/86.09=0.37和z'=2个π电子/86.09=0.023。
CH2=CHCl(氯乙烯)的分子量为62.50和2个π电子，所以χCl=35.45/62.50=0.57且z’=2/62.50=0.032
一般形式的McGinniss方程如下：
材料的期望响应={[实验确定的变量(可选的)]±χ杂原子±z'}的线性函数
材料的期望响应也可以={[实验确定的变量(可选的)]n X或±(χ杂原子)n±(z')n的非线性函数，其中n=1-3。
在本公开中，感兴趣的AI的KOC=LogP，或AI的水溶解度，和McGinniss方程参数χ杂原子O,Cl,F,N,S,P的函数。
方程的结果是使用标准的统计分析软件包，例如，NCSS97，由线性或非线性的多元回归分析技术确定。
活性成分
本公开用来包封的示例性的活性成分可以包括，例如，杀菌剂如克菌丹(captan)；任何的真菌剂的乙烯双二硫代氨基甲酸盐(EBDC)类(例如代森锰锌(mancozeb)、代森锰(maneb)、niram、代森联(metiram)、代森锌(zineb)、福美铁(ferbam))；百菌清(chlorothalonil)、异菌脲(iprodione)、福美锌(ziram)、铜盐、以及硫。
用于包封的杀虫剂包括，例如乙硫磷(ethion)、乙基对硫磷(ethylparathion)、二嗪磷(diazinon)、硫丹(endosulfan)、固体和液体形式的氨基甲酸酯(盐)类。
用于包封的除草剂包括，例如氟乐灵(trifluralin)、百草枯(paraquat)、草甘膦(glyphosate)、草胺(alachlor)、苯氧基和如2,4-D的酸的盐。本公开感兴趣的农药的完整列表可以参见农药索引(pesticide index)第五版，W.J.Wiswesser,editor,the Entomological Society of America,1976。
然后，活性成分大致具有控制目标物种的功能。在此“控制”是指排斥、吸引、灭杀、或对目标物种施加所需的作用。目标物种包括(例如任何活的有机体，其中包括植物、动物、真菌、细菌、病毒、昆虫、鱼类、软体动物等)。AI通常被称作杀虫剂、除草剂、肥料、生长调节剂等。
一般实验条件
聚合物-AI(有效成分)相互作用设计参数和界面控制组合
在这组实验中的所有的聚合物以70%重量AI和30%重量浓度的聚合物的比例与Al组合。将70/30的AI/聚合物组合的干混合物加入到二氯甲烷中以制备83%二氯甲烷/17%混合物的溶液。进一步，将250μl的各溶液混合物放置在Whatman的5.5cm滤纸＃2(8μm)定性(8161)上，使其干燥过夜。该滤纸样品置于微湿的布氏漏斗上以均匀放置纸张，然后通过滤纸吸10份10毫升等分的去离子(DI)水。对每个10毫升部分进行紫外光(UV)分析来确定洗涤通过滤纸的AI(264nm)的吸收，并针对每个单独的10毫升洗涤记录吸收。
通过在滤纸上放置单独的A二氯甲烷溶液或者单独的聚合物的二氯甲烷溶液、干燥过夜、并与10份10毫升等分的去离子水洗涤来评价对这些系统的控制。在所有的情况下，与AI和聚合物浓度相比，通过更少的洗涤AI对照通过滤纸。该对照聚合物单独没有在光谱的264nm区域显示出紫外吸收的任何迹象。
预形成的聚合物保持架(polymer cage)(纳米到微米或更大的尺寸范围)- AI相互作用设计参数和界面控制组合
AI与作为保持架材料的脲-甲醛泡沫(flower foam)[商业产品(FoliageFresh)]干磨(研钵和杵)，其中AI与泡沫的比例为70%/30%(重量)。然后，在圆底烧瓶中用疏水性聚合物(石蜡/己烷；聚苯乙烯/甲苯；硅油/甲苯)的有机溶剂溶液对该混合物进行滚动涂覆(tumbled-coated)。除去溶剂，得到AI/粉末泡沫/疏水性聚合物的干燥粉末(62%AI)/31%泡沫/7%疏水性聚合物)。在滤纸上放置少量(0.07克)的该粉末，并随后用10份10毫升等分的去离子水洗涤，并通过与上述类似的方式进行分析。
AI-聚合物组合及对照(AI单独)样品的测试和评估
将AI-聚合物组合和AI对照样品的液体样品施用至滤纸(Whatman＃2)，并在室温下干燥24小时。在水抽吸真空条件下，将含有AI-聚合物组合或AI对照样品的滤纸置于布氏漏斗上，当10份10ml等分的水施加到含有AI-聚合物或AI对照材料的滤纸上时，其然后通过所述滤纸吸允，并收集在保持漏斗真空附着的接收烧瓶中。
在每份10ml等分的水通过含有样品的滤纸吸收后，移出抽吸后的溶液并用UV光谱仪分析经过水洗过程的任何AI。所述10份10ml的顺序洗涤是对在雨水环境暴露条件下，施用至土壤的AI是否会留在土壤上还是迁移通过土壤的模拟。在所有情况下，AI对照(没有聚合物稳定添加剂)在一到三次10毫升的水洗涤下通过所述滤纸，而本公开的AI-聚合物稳定系统在经过五至十次10毫升洗涤后仍然没有彻底地被洗涤通过所述滤纸，这表明与单独AI的对照相比，稳定的AI-聚合物系统具有更好的控释特性。
干燥100%固体样品直接放置在滤纸上，并随后以与置于滤纸后干燥的液体样品类似的方式，用10份10毫升的等分洗涤。
不同浓度的AI溶于水中或水与助溶剂中，并在254nm或其他的紫外/可见光谱区进行分析以建立吸光度与AI浓度的标准校准曲线。
实施例1
聚合物-AI相互作用设计参数和界面控制组合
在本公开中，对感兴趣的AI建立溶解度参数模型，然后确定哪种聚合物结构具有与AI类似的溶解度参数，由此，在AI-聚合物界面之间创建独特的环境(相互作用设计参数)。聚合物-AI组合所选择的活性成分为灭草烟(Imazapyr)、咪草烟(Imazethapyr)[均简称为IMI的或活性成分(AI)]2,4-D、麦草畏(Dicamba)、烟嘧磺隆(Nicosulfuron)和磺酰唑草酮(Sulfentrazone)。
模型的起始点是匹配在不同溶剂中灭草烟和咪草烟的已知溶解度和这些溶剂的Hansen溶解度参数(δd=分散性；δP=极性；δH=氢键；δt=总溶解度参数)。
例如，在下表1(灭草烟)和表2(咪草烟)中分别列出了灭草烟和咪草烟在四种不同溶剂中的溶解度(g/100ml溶剂)，和它们的相关联的溶解度参数。
·DMSO的溶解度参数等于IMI化合物的溶解度参数。
·具有与DMSO相似的溶解度参数的聚合物应当是IMI的良溶剂。
·聚合物IMI相互作用因子=IF
·IF=[δdP–δdIMI)2+(δpP=δhIMI)2+(δhP–δhIMI)2]1/2，其中δdP、δpP、δhP、δdIMI、δhIMI分别是聚合物和IMI的溶解度参数。
IMI的溶解度=聚合物的δd和δp的函数。
表1灭草烟溶剂相互作用
溶剂 溶解度 δd δp δh
丙酮 3.39 15.5 10.4 7
DMSO 47.1. 18.4 16.4 10.2
二氯甲烷 8.72 18.2. 6.3 6.1
甲醇 10.5 15.1 12.3 22.3
甲苯 0.185 18 1.4 2
溶解度=7.426(δd)+3.06(δP)-141.09
R2=0.97
表2咪草烟溶剂相互作用
溶剂 溶解度 δd δp δh
丙酮 4.82 15.5 10.4 7
DMSO 42.25 18.4 16.4 10.2
二氯甲烷 18.48 18.2. 6.3 6.1
甲醇 10.5 15.1 12.3 22.3
甲苯 0.5 18 1.4 2
溶解度=7.26(δd)+2.56(δp)-132.28
R2=0.98
在表3中，我们选择了一组溶解度参数接近DMSO的商售聚合物。在表4中，我们用表1、2和3中的参数和方程计算出了IMI产品和所述聚合物之间的相互作用因子和计算出的DMSO聚合物的溶解度。具有高溶解度和低相互作用值的聚合物有更大的机会与IMI产品更加相容。
表3具有接近DMSO的溶解度参数的聚合物
聚合物 δd δp δh δt
CA 18.6 12.73 11.01 25.08
PVOAC 20.93 11.27 9.66 25.66
PVB 18.6 4.36 13.03 23.12
PAN 18.21 16.6 6.75 25.27
PVC 18.72 10.3 3.07 21.46
PSTY 21.8 5.75 4.3 22.47
P4OHSTY 17.6 10 13.7 24.55
尼龙66 18.62 5.11 12.28 22.87
CA=乙酸纤维素;PVOAC=聚乙酸乙烯酯；PVB=聚乙烯基醇缩丁醛；PAN=聚丙烯腈；PVC=聚氯乙烯；PSTY=聚苯乙烯；P4OHSTY=聚4-羟基苯乙烯。
表4聚合物IMI相互作用和溶解度
Figure BDA00003490901900141
建模研究表明两种高分子材料，即聚乙酸乙烯酯(PVOAC)和乙酸纤维素(CA)，在理论上应具有与灭草烟(在此为AI)强相互作用的最佳机会。因为通过如它们的溶解度参数相容值确定的AI与这些聚合物具有最大的关联，因此这些组合适合本公开的相互作用设计参数。制备了固体聚合物样品，并测试、评价了它们的AI保持功能；结果示于表5中。
表5实施例1相互作用设计参数(INDP1)结果(聚合物+AI)
Figure BDA00003490901900142
Figure BDA00003490901900151
*在10次洗涤后不是所有的样品都释放。
这些结果清楚地表明了对于控释聚合物-AI的相互作用设计参数控制相比单独的AI对照的优势。
可以建立速率因子(rating factor)、R来清晰地显示吸收在滤纸上的未缔合或者非包封的AI(对照)的10份10毫升水洗涤效果与本公开的AI-聚合物系统之间的差异。在示于表6的结果中，在3次洗涤后(R=3)AI对照被完全耗尽，而对于乙酸纤维素和聚乙酸乙烯酯AI-样品，需要超过10次洗涤(R=10)以几乎完全地从滤纸表面耗尽该样品。以每个单独的10毫升洗涤的AI吸收率值(Absn=1-10)除以所有10次洗涤的总吸收率值(总Abs=Abs1+Abs2+Abs10)乘以100来确定每个系统的释放百分比。
表5中所示的例子代表具有高相互作用能力的AI-聚合物系统(相似的溶解度参数)，其控制本公开的相互作用设计参数。
为了改变AI和包封的聚合物本体之间的界面，我们需要稍微改变聚合物表面以使其包含少量的官能团(酸、醇、疏水性材料)，或者针对本公开的界面控制方程，向该系统添加具有不同溶解度参数的另外额外的聚合物材料。用于改变所述表5中的AI-聚乙酸乙烯酯样品的界面控制材料(IC)的实例与它们的IF和它们的溶解度参数之间的差异一起示于表6中。
Figure BDA00003490901900161
聚乙酸乙烯酯(90重量%)与10%(重量)的聚乙烯基醇缩丁醛/聚乙烯基醇缩丁醛-共聚乙烯基醇-共聚乙酸乙烯酯或10%(重量)的聚苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯界面控制(IC1)聚合物(均购自Aldrich Chemical Company)结合，而且每个系统均与AI(IMI酸)一起溶解在二氯甲烷中，并以与上述类似的方式施加至滤纸。10次10毫升的水洗研究的结果示于表7。
表7相互作用设计参数(INDP1)与界面控制(IC1)聚合物-AI组合的组合
Figure BDA00003490901900171
*在10次洗涤后不是所有的样品都释放。
表7中的结果表明了界面控制聚合物对聚乙酸乙烯酯(INDP1)-AI系统的控释的影响。所有的IC1聚合物具有与纯的聚乙酸乙烯酯相差1到8个单位的溶解度参数值，或聚合物可包含不同的官能团(极性的、非离子-OH基团)用于界面控制。
以类似的方式，确定了2,4-D、麦草畏、烟嘧磺隆和磺酰唑草酮的溶解度参数并且在表8中示出了具有最大的相互作用势(与AI最佳匹配的溶解度参数)的聚合物。
表8AI-聚合物的溶解度参数
Figure BDA00003490901900181
可用于本公开中的其他类型的市售亲水性或疏水性的聚合物材料的例子示于表9。
表9亲水性和疏水性聚合物(Sigma Aldrich Material Science2008-2010年目录，第260-283页)
Figure BDA00003490901900182
Figure BDA00003490901900191
实施例2
相互作用设计参数(INDP 1 )预形成的聚合物保持架(纳米到微米或更大的 尺寸范围)-AI界面控制(IC 1 )组合
在这个实施例中，IMI酸或IMI盐(异丙基胺中和的IMI酸)与交联的聚合物(泡沫)组合，且涂有低表面能材料如疏水性聚合物材料(己烷或硅油中的6%石蜡)，其结果示于表10。从该研究中可以清楚地看到与对照的区别：当以与实施例1相似的方式进行分析时，洗涤4-6次后对照开始被耗尽，而INDP1/IC1样品在用10毫升等分去离子水洗涤10次后，继续提供IMI酸。
针对该实施例的相互作用设计参数(INDP1)是非常吸水的脲-甲醛交联的保持架结构，因此与水敏性IMI酸和盐AI化合物的相互作用非常强烈。界面控制(IC1)聚合物是疏水性的材料，如石蜡、聚苯乙烯、硅油、植物油(大豆油)、或其他疏水性材料(低/中表面能材料[硅氧烷/氟代烃/硬脂酸/烃树脂/聚乙烯基甲基醚/聚烯烃：6～32MJ/m2，而丙烯酸类/聚苯乙烯是32～36MJ/m2]，其包覆含有AI的泡沫颗粒(flower foam particle)的表面，并最终控制总系统最终的AI的释放能力。相反的情况也可出现，其中保持架材料是疏水的，并且ICn是水敏性的或具有高表面能特征的，如淀粉/聚乙烯基醇/聚环氧乙烷：36～44MJ/m2。
表10实施例2的结果(保持架聚合物(cage polymer)+IMI酸+石蜡)
Figure BDA00003490901900201
注意：在264μm测定洗涤溶液的紫外吸收。
*10次洗涤后样品中不是所有的AI都被释放。
泡沫+IMI酸+石蜡涂覆层的最终大小在2～75μm变化。所有尺寸在AI控释的聚合物保持架环境和涂层中表现出类似的结果。这种技术的变体是将界面控制(IC1)聚合物(聚乙酸乙烯酯)与IMI酸组合并使用二氯甲烷作为溶剂将该组合吸收在泡沫上，然后用疏水性聚合物例如聚苯乙烯(IC2)包覆，并测试其控释能力。这些结果如表11所示。
表11实施例2的结果[保持架聚合物+IMI酸(INDP1)/聚乙酸乙烯酯+聚苯乙烯或石蜡(IC1)]
Figure BDA00003490901900211
*10次洗涤后样品中不是所有的AI都被释放。
当使用2,4-D的胺(异丙基)盐代替所述IMI酸时，观察到了类似的结果。如表12中所示。
表12实施例2的结果[保持架聚合物+2,4-D盐(INDP1)+6%石蜡(IC1)
Figure BDA00003490901900212
Figure BDA00003490901900221
*10次洗涤后样品中不是所有的AI都被释放。
2,4-D在聚合物保持架(INDP1)和界面控制材料(硅油，GANTREZ AN-169)中的其它实施例示于表13和14。
表132,4-D盐-聚合物保持架[(泡沫)相互作用设计参数(INDP1)和疏水性界面控制(IC1)样品]
*10次洗涤后不是所有样品都被释放。
表142,4-D盐-聚合物保持架相互作用设计参数(INDP1)和亲水性界面控制(IC1)和疏水性材料(IC2)样品
*10次洗涤后不是所有样品都被释放。
实施例3
自组装控释的聚合物-AI相互作用设计参数(INDP 1 )和界面控制(IC 1 )组合
在本公开中，我们已经发现AI和某些聚合物(P)当在载体溶剂中结合时，能形成强缔合物(association)或复合物。当这些AI-P复合物施用至基底(滤纸、植物、种子、土壤或基底)并在其上干燥时，这些AI-P复合物保持一定程度的初始关联特性，这强烈地影响水或雨存在下AI的控释。
AI+聚合物+载体溶剂      [液态AI-P初始复合物或结合物]
[液态AI-P初始复合物或缔合物+基底    [干燥的最终基底-AI-P复合物或缔合物]
[干燥的最终基底-AI-P复合物或缔合物+水(雨)     AI的控释
也有其他的一些情形，其中AI和聚合物可能不形成复合物或缔合物，但当应用到基底并干燥时，该特别的复合物自结合并产生独特的结构，这种结构在水或雨的存在下，控制AI的释放速率。
施用到基底并在基底上干燥
AI+P+载体基底→[最终干燥的AI-P-基底复合物]
(没有在溶液中形成初始复合物或缔合物)    (干燥时形成复合物)
[最终干燥的AI-P-基底复合物或缔合物+水(雨水)   AI的控释
可以形成这些类型的复合物或缔合物的不同类型的AI-聚合物(P)组合描述如下：
溶剂可溶的AI+溶剂可溶的聚合物→[液态AI-P复合物]
溶剂可溶的AI+分散的聚合物或油→[液态AI-P复合物]
分散的AI+可溶性聚合物→[液态AI-P复合物]
分散的AI+分散聚合物或油→[液态AI-P复合物]
干燥的AI+干燥的聚合物→[干燥的AI-P复合物]
[干燥的AI-P复合物]+溶剂→[液态AI-P复合物)
下面的表描述了本公开的自组装控释系统。
在一种制剂中，1g的AN-179(
Figure BDA00003490901900241
甲基乙烯基醚/马来酸酐共聚物)，与5g异丙基胺(IPA)中和IMI酸盐溶液(23.6%IMI酸/12g；5.3%IPA/0.3g；71.1%水/3.5g)形成混合物，该混合物为1.8%的AN-179，2.1%的IMI酸，0.5%的胺和95.6%的水。在本实施例中，AN-179在一个结构中是相互作用设计参数(INDP1)和界面控制(IC1)聚合物，该系统的测试结果示于表15。
表15自组装控释的聚合物-AI相互作用设计参数(INDPI1和IC1)组合
Figure BDA00003490901900242
Figure BDA00003490901900251
*10次洗涤后样品中不是所有的AI都被释放。
如表16所示，使用AN-169(马来酸酐基乙烯基醚共聚物或聚丙烯酸)的麦草畏胺盐观察到相同的自组装控释。
表16DICAMBA和INDP1/IC1聚合物(AN-169或聚丙烯酸)组合
自组装技术的变化是向0.3g的水溶性聚丙烯酸(卡波姆(Carbopol)716NF)或AN-179以及1.4g水中的IMI酸的水溶性盐(胺中和的)中，添加0.3g水溶性的氢氧化铵氧化锌(ammonium hydroxide zinc oxide)(锌酸盐)。将该混合物放置在滤纸基底上，干燥并得到锌金属离子与聚丙烯酸的交联结构。该交联的金属-有机杂化结构固定了IMI盐，形成了AI控释的独特界面涂敷环境(表17)。
表17锌-聚丙烯酸交联结构-IMI盐系统INDP1和IC1
Figure BDA00003490901900261
构建AI-多元酸(polyacid)INDP1:IC1复合物或缔合物时有时需要关键的工艺步骤。AI和多元酸可用100%干燥的固体加入少量的水并滚动过夜而混合在一起从而形成缔合的控释产品。形成缔合物后，然后可在用于喷洒时用水稀释该混合物，通过在滤纸上干燥或与土壤相互作用并随后移除(干燥)水载体时该复合物重组(reassemble)。
如果AI和多元酸在溶液中混合，该复合物可能无法形成，并且该施加至滤纸并干燥的AI/多元酸溶液可能在多元酸的存在下，以与AI单独(对照)施加至滤纸并用10份10毫升等分水洗涤时几乎相同的速率释放AI。
AN-179马来酸-烷基乙烯基醚共聚物是独特的，这是由于聚合物的马来酸和烷基乙烯基醚结构两者能够与AI(INDP1/INDP2)形成强缔合物。然而，该酸基团可以用碱中和、与水相互作用、或与土壤反应，然后变成控释AI的IC1元素(参照图9)。任何水可溶性/可分散性的聚合物与在水溶液/分散体中是稳定的水可溶性/可分散性交联剂组合，但通过施用至基底并干燥形成交联结构以控释AI均包括在本公开的范围内。
蚊蝇醚(Pyriproxyfen)是不溶于水(0.37毫克/升)的AI，对于粘壤土(clay-loam)土壤，具有5.37的Log P和637的Kd值和58,000的Koc值(McGinniss方程：χN=0.044和χO=0.15)。蚊蝇醚在滤纸上或土壤上并用一些10毫升等分的水洗涤时，没有显示出可动性。当蚊蝇醚(PPF)结合INDP1表面活性剂，如吐温20或Pluronic25R2(HLB=7-16,log P=-0.74-1.5,δd=8-10,δh=7-11;McGinnissχO=0.3-0.34)时，这些化合物使得PPF很容易输送通过滤纸和土壤，如下表所示：
表18自组装AI Hi KOC(蚊蝇醚)滤纸/土壤释放系统
Figure BDA00003490901900271
与其它实施例的洗涤次数相同(10毫升等分的水)，纯的AI PPF只是待在滤纸上或土壤上，通过任意水洗后没有移动，因此无控释。只有当我们使用70%PPF和30%的具有适当的HLB值和log P值以及McGinnissχ参数的表面活性剂(吐温20或Pluronic25)时，其才成为溶解的并且从所述土壤或滤纸中移出。
实施例4
亲水/疏水性聚合物-AI相互作用设计参数(INDP 1 )界面控制(IC 1 )组合
在该实施例中，向7g(50/50重量)的亲水性聚合物(乙酸乙烯酯/丙烯酸类共聚物ROVACETM9900乳液，Rohm&Haas#10078657)(INDP1)和疏水性聚合物(
Figure BDA00003490901900272
硅/丙烯酸类聚合物乳液Rain Guard Weatherman ProductInc.)(IC1)中添加2g IMI酸得到组合物，该组合物是27.2%IMI酸、38.9%聚乙酸乙烯酯(21.4%固体)和38.9%的有机硅聚合物(9.7%固体)。
该胶乳共混体系以及单独的聚乙酸乙烯酯胶乳和单独的聚硅氧烷疏水乳液的结果示于表18。
表18实施例4的结果(亲水/亲水-IMI酸)
Figure BDA00003490901900281
*10次洗涤后样品中不是所有的AI都被释放。
表18中的结果表明，需要在INDP1亲水性(聚乙酸乙烯酯胶乳)和疏水性(有机硅/丙烯酸类胶乳，IC1)之间创建平衡，以实现AI的良好的控释性能。
实施例5
2,4-D胺盐和胶乳共混物的滤纸试验和土壤测试之间的比较
表19显示了在滤纸上施加2,4-D胺盐溶液(23.5g的2,4-D酸，5.5g的异丙基胺，和71.0g的DI水)对照和在土壤柱上施加28.4μl的对照溶液，干燥并用水洗涤。该土壤柱通过如下步骤制备：通过切除VWR牌的CAT,No.20171-036聚丙烯离心管的尖端15mL，留下约1/8英寸的开口，其中填充棉花，以防止土壤从底部泻出。棉块为0.5英寸厚，支撑打开的3英寸的来自Michigan Peat Co.,(Oakland Nursery)的Nature’s表层土(topsoil)。在填充管之前，该表层土通过＃7金属丝网过筛十次以筛除大的碎片。
施加至滤纸，然后表层土两者的其他样品为2,4-D胺盐和RainGuard/Rovace9900胶乳混合物共混形成的样品，该样品含14.7%的2,4-D胺盐，21.4%的Rain Guard和64%的Rovace9900。50-μl混合物样品施加到滤纸上并干燥，同时200-μl样品施加到土壤柱的顶部并干燥，然后用十份10毫升的等分水洗涤。
表19所含的信息确认了本公开的AI-聚合物在滤纸上的筛分测试的控释性能与施加到土壤柱测试的同样的样品的控释性能相关联。可用于本发明中的一些市售胶乳聚合物的列表示出在表20中。
表192,4-D胺盐和相互作用设计参数(INDP1)和界面控制(IC1)聚合物在滤纸和土壤测试之间的比较
*10次洗涤后不是所有的样品都被释放。
表20市售的胶乳聚合物
Figure BDA00003490901900292
Figure BDA00003490901900301
Figure BDA00003490901900311
Figure BDA00003490901900321
在本公开中，我们结合使用了不同的胶乳聚合物用作共混物或杂化聚合物胶乳(hydrid polymer latex)与AI的组合并观察到很好的控释结果。杂化胶乳技术说明如下。
杂化聚合物胶乳可以定义为胶态分散体，其中每个颗粒内存在至少两种不同的聚合物。两种聚合物可以在颗粒内形成均匀的共混物或可以发生聚合物的纳米到微米的相分离。这些胶乳可以通过下列方式制备：
1)通过缩聚反应或加聚反应制备第一聚合物，并加入至不饱和单体的混合物中以在高剪切下形成纳米或微米尺寸的乳液，然后自由基聚合以构建系统。
2)使用不饱和单体的种子乳液聚合，其中所述缩聚物是乳液聚合过程中的种子。该缩聚物可以是植物油、醇酸树脂、蛋白质、聚酯、环氧树脂、聚氨酯、有机硅或其他聚合物。这些杂化聚合物胶乳的完整描述或制备方法可以参见Polymer Science,Vol.32(2007)1439-1461；WO/2009/146252和WO/2005/121222。
实施例6
AI-聚合物和其他材料土壤相互作用
AI和聚合物或其他材料(例如表面活性剂、油、填料)与土壤的相互作用是复杂的过程。土壤组成范围从沙子(低或0至10%的粘土含量)到壤土(8到28%)以及40%至100%粘土含量的土壤。Jerome B,Weber等人发表了优秀论文，“Calculating Pesticide Sorption Coefficients(Kd)Using Selected SoilProperties”[Chemosphere,Vol.55,(2009),pp157-166]，其中将57种农药(羧基酸、氨基磺酰基酸、羟基酸、弱碱性化合物和非离子化(nonionizable)酰胺/苯胺、氨基甲酸酯或盐(carbamate)、二硝基苯胺、有机氯、有机磷、苯基脲化合物)及其Kd值与有机质(OM)含量、粘土(Cl)含量和土壤pH值相关联。
一般情况下，包含羧酸或NHSO2酸的AI的Kd值与OM含量和/或土壤pH值高度相关，并且随着OM含量增加和/或土壤pH值降低，这些AI的吸附作用增加。
弱碱农药kd值与三个土壤性质(OM、Cl、pH值)的一个或多个有关，并且吸附作用随着OM和/或Cl的增加和/或pH值降低而增加。非离子化(nonionizable)农药kd值与土壤的OM和/或Cl含量密切相关，且以同样的方式随所述OM和Cl的浓度变化而增加或减少。表21、22、23、24和25包含不同类AI的kd值以及它们与Webber论文中所讨论的显著影响AI的土壤性质(OM、pH、Cl)的关系。其他AI信息(水溶性、Log P和K OC)获取自EMA/EMA在线农药属性数据库(IUPAC Footprint Pesticides Procedures Database;(http:\\sitem.herts.ac.UK/aeris/ipac/442.htm)。表中还包括活性成分中所含的氧、氮、硫、磷元素的McGinniss方程χ参数。
表中所有的变量均可以用来确定AI的哪些属性和它们的分子/原子结构控制其与KOC和Kd土壤吸附值的相互作用的能力。
表21中的数据(含羧酸的AI)的多元线性回归分析表明Kd和KOC之间没有直接的关联(K=0.04)。然而，Kd和McGinniss方程参数χo、χn和log P有很强的相关性(R=0.90)。
表21中AI的KOC值也与它们的水溶解度、χn以及Log P值相关(R=0.90)，且AI的水溶解度的对数与χn和χo参数在一定程度上相关(R=0.82)。
从这种类型的信息，人们可以选择如下的聚合物结构：其具有相似或不同的Log P或水敏性的溶解度参数、和能够与AI和土壤强或弱相互作用的χO和χN参数和官能团(羧酸)，以最大化或最小化从AI-聚合物-土壤基质中控释AI的效果。应该指出的是，表21显示AI的分散度、极性、氢键合溶解度参数值与Koc无相关性(R=0～0.40)。这些AI溶解度参数值由它们所溶解的溶剂(丙酮、甲醇、甲苯、或乙酸乙酯)来确定。
表22列出了各种含硫AI的性质，这些化合物与Kd或KOC没有直接的关联。变量Kd与McGinniss方程的χo、χn参数以及水溶解度的对数相关联(R=0.89)；log KOC与χs、水溶解度值和水溶解度值的对数相关(R=0.89)。这些AI的Log P与χo、χn和χs参数略关联(R=0.85)。
表23列出了弱碱AI和硫弱碱(sulfur weak base)AI的参数，Kd与其水溶解度相关(R=0.91)，log P与χs相关(R=0.94)，没有关于KOC和kd的直接相关性。然而，这些AI的KOC值与χN和水溶解度值的对数略相关(R=0.87)。
表23中其余的AI(硫AI化合物除外)显示了Kd和KOC的直接相关性(R=0.95)，但是KOC的对数与χO、χn和AI的水溶解度相关(R=0.90)。log P与χn、水溶解度和AI的水溶解度值的对数略相关(R=0.82)。
表24包含脲型AI的性质，这些化合物具有Kd和KOC的直接相关性(R=0.99)，并且K OC的对数与χo和AI的水溶解度的对数高度相关(R=0.95)，并且log P对同样的变量相关(R=0.93)。
表25中的含磷AI可以总结类似的相关性，其中Kd和KOC之间略有直接相关性(R=0.82)，Kd与χo、AI的水溶解度以及该水溶解度的对数略相关(R=0.87)，而KOC的对数和log P可以与相同的变量关联(分别为R=0.93和R=0.92)。
表21含羧酸的活性成分(AI)
Figure BDA00003490901900341
χo和χN是AI所含的氧和氮的McGinniss方程参数。
表22各种含硫活性成分(AI)
Figure BDA00003490901900342
χO、χN和χS是AI中含有的氧、氮和硫的McGinniss方程参数。
表23含弱碱活性成分(AI)
χO、χN和χS是AI中含有的氧、氮和硫的McGinniss方程参数。
表24含脲活性成分(AI)
Figure BDA00003490901900352
χO和χN是AI所含的氧和氮的McGinniss方程参数。
表25含磷活性成分(AI)
Figure BDA00003490901900361
其中χO、χN、χS和χP是AI所含的氧、氮、硫、磷的McGinniss方程参数。
在表21至表25中所讨论的信息，使人们设计与在不同类型土壤中针对控制AI释放特别匹配的聚合物体系(INDP和C1)。例如KOC(μg/g)值为2-99的AI与OM土壤弱粘合，而KOC值为100-999以及1000+的AI倾向与土壤具有中度或广泛的相互作用并且不会迁移远离它们的应用区域(表26)。对于不同类型的mils(OM、pH、Cl)，具有低、中、高Kd值(0.1～10～100+)的AI也有同样的讨论(表27)。
表26AI-KOC-土壤性质的关系
AI KOC(mg/g)
DICAMBA 2
2,4-D 20
甲霜灵(Metalaxyl) 50
丁噻隆(Tebuthiuron) 80
利谷隆 400
特丁磷(Terbufos) 500
二嗪磷(Diazinon) 1000
毒死蜱(Chlorpyrifos) 6,000
草甘膦 24,000
百草枯 1,000,000
SCS/ARS/CES，USDA(美国农业部)，农药环境决策属性数据库(PesticideProperties Database for Environmental Decision Making)1994年8月10日。
表27AI、Kd-土壤性质的关系
Figure BDA00003490901900371
如果羧酸AI具有通过OM型土壤的高输运性(Kd和KOC均小)，那么理想的控释聚合物应具有非常高的与AI的INDP相互作用能力和当施加并干燥时非常高的与土壤相互作用能力和界面控制功能，但在雨的存在下应缓慢释放AI。
高水敏性或水溶性的非离子型或羧酸/盐AI与含有羧酸和官能团(functionalituy)的聚合物的复合物。本公开的用于水溶性AI的聚合物类型描述如下：
其中
A=含羧基的单体
B=亲水性或疏水性单体
C=亲水物质或疏水性单体
本公开的用于碱敏性AI的聚合物类型如下：
Figure BDA00003490901900382
其中，A=含胺、三嗪、或吡啶单体
B、C=亲水性或疏水性单体
实施例7
乳液、分散体和可润湿性粉剂
图10显示了在水包油型乳液中的AI的一般说明。对油包水型乳液中的AI或者AI可润湿性粉末也可以进行类似的类比(图11、12和13)。
在图11中，INDP1和IC1可以是表面活性剂或水可溶性/可分散性聚合物，其保持乳液稳定但影响AI输送通过土壤或植物表面的方式。与OECS相关的材料(聚合物/表面活性剂)或填料在储存以及通过施用至土壤或植物表面释放的过程中控制外部界面。
在图12中，INDP1材料(表面活性剂或聚合物)保持AI(固体/液体)悬浮在水中，而IC1材料(表面活性剂或聚合物)控制在存贮时和施用至土壤或植物表面后系统的稳定性和释放能力。OECS材料(表面活性剂/聚合物或填料)保持AI水悬浮液在油相中的稳定性，以及当施用至土壤或植物表面时控制系统的释放。
在图13中，INDP1材料(聚合物、表面活性剂、无机填料)保持处于干燥形式和当该粉末溶解或分散到水中以有限制的贮存和应用前的准备时间的该系统的颗粒尺寸。
IC1材料(聚合物、表面活性剂)保护AI系统以防分散到水中时不稳定，但也控制AI释放和AI通过土壤或植物表面的运输能力。
INDP1和OECS材料(聚合物/表面活性剂/填料)保护所述AI粉末系统以免在水中分解，但在同时，允许该粉末润湿并分散到水中，并然后可以施用至土壤/植物表面并以受控的方式释放AI。
还应当指出的是，针对大量农作物保护应用，具有INDP1、IC1、和OECS稳定以及控释能力的AI粉末也可以直接施用至土壤或植物表面。
实施例8
树枝状大分子
树枝状聚合物或树枝状大分子是高度支化的聚合物，并在“DendriticMolecules:Concepts,Synthesis Perspective,”G.Newkome,et al.,John Wiley&Sons,1986和U.S.6,379,683B1中进行了描述。
一些聚(酰氨基胺)PAMAM树枝状大分子是市售的，可以从SIGMA0Aldrich,5050Spruce Street,St.Louis,MO63103,和Nanotechnologies,Inc.(dnanotech.com)购买。描述树枝状大分子的其他参考文献为Macromolecules2001,34,4927-4936和U.S.2002/0045714A1。
在本公开中，Aldrich的PAMAM-琥珀酰胺酸树枝状大分子(592307-2G)(水中含量10%)与2,4-D的异丙基胺盐相结合，并放置在滤纸上干燥。该样品用10毫升等分的水洗涤，并表现出与2,4-D丙烯酸或甲基乙烯基醚/马来酸酐共聚物材料类似的控释性能。对照(2,4-D胺盐)立即通过滤纸洗涤1-2次，且没有控释能力。
实施例9
AI包封(微米到纳米颗粒)(核或核/壳)
传统的通过乳液聚合工艺制备微米至纳米尺寸的AI材料胶囊的方法可以描述如下：
1)混合乙烯基单体(丙烯酸或甲基丙烯酸酯)和自由基引发剂以及AI，然后将其添加到水/表面活性剂溶液中，在搅拌下慢慢分散。缓慢的机械混合得到大的粒径，而超声混合可以制作在纳米尺寸范围内的颗粒。加热水-单体/引发剂和AI材料致使发生聚合反应，从而出现和构建包封AI核材料的微米或纳米尺寸的聚合物。
2)通过如下方法获得核/壳产品：取AI-纳米或微米尺寸的核胶囊(种子)，并把它们置于表面活性剂的水溶液中，加入第二单体(苯乙烯或其它的丙烯酸酯)和引发剂以引发第二聚合反应，其包覆原来的AI-聚合物结构从而形成核/壳产品[Macromolecules2004,37,7979-7985;U.S.Patent6,271,898B1;journalof microencapsulation,Sept.2005,22(6):683-688;nanoscale,2010,2,829-843;progress in polymer science33(2008)1088-1118和Vol.23(1988),No.8pp1383-1408;US2005/0226934A1;U.S.6,955,823B2;U.S.2003/0147965A1和Chinese Chemical Letters vol.7,no.2pp247-250(2006)]。
本公开与现有技术的区别之一是现有技术并不为AI-聚合物基质创建理想的环境，因为AI-聚合物基质涉及到在各种不同环境暴露条件下的增强型控制系统。
在本公开中，通过标准的乳液聚合方法，使用苯乙烯(70重量%)、甲基丙烯酸三氯乙酯(trichloroethylmethacrylate)(23重量%)、5重量%的在含0.5%十二烷基硫酸钠的水中的2,4-D、0.5%的非离子性表面活性剂(吐温20)以及热引发剂(1重量%的过硫酸铵)的超声搅拌聚合反应，制备纳米尺寸的聚合物-AI种子或核结构。将此混合物加热至60到70℃加热6小时，得到颗粒尺寸在200～500nm尺寸范围硬且稳定的核。
该核种子聚合物乳液被分到两个烧瓶中，其中在聚苯乙烯-AI核样品中的一个上聚合苯乙烯聚合物壳，而在另一个聚苯乙烯-AI核材料上聚合苯乙烯(50%重量)、甲基丙烯酸甲酯(45%)和5%的甲基丙烯酸的共聚物。该壳作为IC1和OCES1界面两者。这两个样品中2,4-D的控释如表28所示。
表28两个样品的核壳包封
Figure BDA00003490901900411
这些样品被施加至滤纸并如上述在本专利中其它实施例描述的进行分析。
实施例10
AI自由基聚合物纳和微胶囊化以及胶囊破裂[内应力增强剂(ISEA)系统]
在本技术中，油相由一系列的反应性乙烯基或丙烯酸酯单体和AI制成。也可以与AI/反应性单体一起包含不溶于水的溶剂或油以稳定油相。然后，这种油随表面活性剂或水溶性聚合物一起分散到水中，以形成乳液。剪切的程度控制单体液滴的大小，使它们可以制成纳米、微米或毫米尺寸范围。对热或氧化还原反应敏感的水溶性或油溶性热引发剂(过氧化物)被激活并发生自由基聚合反应，其在AI或溶剂/油/AI混合物周围形成壁从而形成胶囊化的AI产品(美国专利5,972,508)。
其它的微或纳米尺寸的胶囊材料可通过制备反应性丙烯酸类单体、引发剂和溶剂中的交联单体或待胶囊化的材料的混合物来形成；该混合物与水和表面活性剂组合混合，然后，超声波处理整个系统以形成具有纳米尺寸的液滴的预乳液(pre-emulsion)。然后加热该纳米尺寸的预乳液以引发自由基反应进行将溶剂或AI包封在聚合物壳内。然后，可以取该首先包封的产品，并用它作为第二丙烯酸类聚合过程的种子，以制备核/壳型包封产品(WO/2009/146252)。丙烯酸酯自由基聚合的其他参考可以参见Monomer/Acrylic Esters,E.H.Riddle,Book Division of Reinhold Publishing Co.,New York,1954。所有的现有技术的用于包封AI的自由基聚合技术均未使用或支持或甚至建议在本公开中所实施的用于AI的增强控释的聚合物结构改性特性或添加剂(addition)的类型。
反应性单体到聚合物的转换过程中首先关注的问题是，无论是自由基、阳离子、反应化学加成或缩合，必须在反应性包封过程中没有与AI的微小化学反应发生(no little chemical reaction occurring)。
本公开的一种非反应性AI(蚊蝇醚)的自由基聚合包封的实施例示于表29中。
表29蚊蝇醚的自由基聚合包封
Figure BDA00003490901900421
注意：蚊蝇醚在乙酸乙酯中的溶解度为1×106mg/l，乙酸乙酯是丙烯酸类聚合物的优良溶剂；因此，溶剂参数与聚甲基丙烯酸甲酯相似，这对AI是很好的INDP。
MMA是甲基丙烯酸甲酯；BA是丙烯酸丁酯；HEMA是甲基丙烯酸羟乙基酯；EGDMA是二甲基丙烯酸乙二醇酯(ethylene gylcol dimethacylate)。
实施例11
用于控释系统的天然产品和改性的天然产品
已经针对除了AI、化学品、或药物材料的控释的之外的不同的应用制造了多种不同的天然产物和改性的天然产物。例如U.S.7,645,818显示了包含蛋白质和含碳水化合物的蔬菜材料组分的离子型聚合物系统的制备方法，该蔬菜材料组分作为复合材料产品的加强剂。蔬菜种子组分选自由大豆花薄片(soy spent flake)、脱脂大豆粉或大豆蛋白质浓缩物组成的组。离子聚合物可以是羧基化的聚(苯乙烯-丁二烯)或其它酸官能聚合物，如丙烯酸类、聚氨酯类、乙烯类和聚酰胺类。
WO/2004/12745中所述的概念显示，可以对水解蛋白质进行改性来制备个人护理产品。有多种对蛋白质结构进行改性的方式(U.S.5,753,214；4,474,694；4,961,788；4,687,826)并且一些形式的改性大豆蛋白质是可商购的。
美国专利申请2009/0169867以与US7,645,818类似的方式，使用大豆粉或木质素磺酸盐与乳液聚合物的组合来制备复合材料。
Iranian Polymer Journal,Vol.17(6),2008,pp451-477中描述了基于将乙烯基和丙烯酸或甲基丙烯酸和酯的自由基接枝到天然产品(多糖、壳多糖、纤维素、淀粉、天然胶、黄原胶、瓜尔胶、藻酸盐、来自大豆、鱼、胶原基蛋白质和叶-苜蓿(leaf-alfalfa)的蛋白质)而得到的超吸收性聚合物(SAP)材料。
也有一些文献中的参考资料，公开了改性天然产品以生产可以用来从这些材料制备聚合物的单体。可以用丙烯酸改性蓖麻油，以制备具有内增塑能力的单体，大豆油可降解为多官能醇与异氰酸酯反应，以制备聚氨酯泡沫。这些多元醇也可以与丙烯酸酯化以制备多官能丙烯酸酯，或者环氧化大豆结构可以与丙烯酸直接反应以制备新的反应性单体化合物。
淀粉基生物降解的聚合物也可通过在淀粉中混合合成的或天然的碱性聚合物、改性淀粉(物理或化学)、以及该淀粉的以开发新产品或引入已知聚合物结构中的接枝共聚合化反应来制备(Express Polymer Letters,Vol.3,No.6,2009,366-375)。
在本公开中，使用改性天然产品(NP)形成基本的AI-NP核结构以在制剂中控释AI。如下所示，改性NP形成我们使用的核结构：
·NP+AI
·NP+AI水解
·聚合物和添加剂+AI的共混物
·丙烯酸或丙烯酸类单体自由基接枝到NP+AI
·NP+AI的改性或官能化
·NP的改性或官能化(-OH，-00CCH=CH2)+自由基或其他单体聚合物接枝反应+AI
·制备聚合物的大豆和其他蔬菜基丙烯酸酯+AI
本公开中引入的天然产品改性的另外的例子描述于表30、31和32中。
表30可用于本公开的来自天然产品的聚合物
Figure BDA00003490901900441
Figure BDA00003490901900451
表31可以用于本公开的生物材料
Figure BDA00003490901900452
Figure BDA00003490901900461
Figure BDA00003490901900471
表32本公开中可以使用的大豆和其他植物油产品
Figure BDA00003490901900472
Figure BDA00003490901900481
实施例12.
天然产品控释系统
有很多可以制作成活性成分控释输运系统的不同的天然产物和改性的天然产品。下面的例子将讨论本公开的实施方式中如何使用天然产品。
豆粕和有2,4,-D胺盐(AI)的豆粕水凝胶
高蛋白质豆粕由Bunge,ADM或Cargill提供(6g，细磨到[<149微米]，并且与14g丙烯酸和5g三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯在水中混合[40%固体])。加入过硫酸铵引发剂和亚硫酸氢钠还原剂(各0.15g)，在室温下搅拌反应24小时。从反应容器中移出的最终产物是水溶胀的水凝胶，干燥(除去水)成粉末，用于AI控释实验。表33中显示了施加至滤纸并干燥的2,4-D对照(23.5g的2,4-D、5.5g的异丙基胺、71g的DI水的溶液7.1μl)。将102.3mg的2,4-D溶液施用至40.6mg豆粕，将该混合物施加至滤纸并干燥。将磺基琥珀酸二辛脂盐(dioctyl sulfosuccinate)(AOT)表面活性剂和豆粕上的2,4-D的混合物(81μg样品)也施加至滤纸上并干燥。2,4-D、豆粕的混合物和50/50重量比的Rovace/Rain Guard组合制成52mg样品，该样品为93%大豆粉、4%的2,4-D和3%的胶乳(重量)，将该样品施加至滤纸并干燥。由2,4-D、豆粕、乳液和AOT表面活性剂的组合(66mg样品，该样品为4.4%的2,4-D、17.2%的AOT、1.86%的胶乳共混物以及76.54%的豆粕)也施加到滤纸并干燥，该系列的结果如表33所示。
表B显示了然后施加2,4-D对照(23.5g的2,4-D、4.4g的异丙基胺、71g的DI水的溶液7.1μl)和14.1mg的豆粕的水凝胶与27.4mg的2,3-D胺盐溶液的混合物产生的1至3mg样品(为70%的2,4-D和30%的豆粕)至滤纸并干燥后的结果。
表33和表34结果均表明了与未受保护的单独的AI对照相比，AI-豆粕(INP1)和AI-豆粕水凝胶(INDP1)和不同的界面控制(IC1)材料(AOT、胶乳、硅油)的优势。
表33豆粕-2.4-D胺盐相互作用设计参数(INDP1)和界面控制(IC1)研究
*10次洗涤后不是所有的样品都释放。
表34豆粕水凝胶-2.4-D胺盐相互作用设计参数(INDP1)和界面控制(IC1)研究
Figure BDA00003490901900501
*10次洗涤后不是所有的样品都释放。
虽然参照各种实施方式，已经描述了组合物和方法，对于本领域技术人员而言将理解，可能作出各种改变以及其中元素的等同代替，而不脱离本公开的范围和本质。此外，可以在本公开的教导而不脱离其基本范围的条件下，做出多种修改以适应特定的情况或材料。因此，本公开意在不局限于所公开的具体实施方式，本公开将包括落入所附的权利要求书的范围内的所有实施方式。在此应用中，除非明确指出，所有单位均为公制，所有的量和百分比均基于重量。此外，本文所提到的所有引文都明确地并入本文作为参考。
实施例13.
杀虫剂
用杀虫剂的主要问题之一是它们无法直接相互作用并穿透昆虫的壳，昆虫的壳主要是称为几丁质的聚合物结构：
(C16H30O10N2)。
McGinniss方程参数χO=0.39，χN=0.09且Log P=-0.3，表明这是极性分子，并不与如表35所示的具有低χO值和高χF以及χCl值的非极性杀虫剂(AI)很好的相互作用。
表35选定杀虫剂的性质
Figure BDA00003490901900511
为了设计允许表35中的非极性杀虫剂与极性几丁质基质相互作用的系统，需要χO值比几丁质低并一定程度上高于该杀虫剂的表面活性剂。萘磺酸盐(naphthalenesulfonate)的χO值为0.23，如一些烷基酚环氧乙烷取代的酚，并且在表35中的AI的水分散体中的这些材料的组合润湿几丁质的表面，引起污点(stain)的形成，表明相互作用已发生。杀虫剂纯的水分散液无法润湿或吸收到几丁质表面。
实施例14.
叶渗透
在“Interaction of Surfactants and Leaf Surfaces in Glyphosate Absorption(Mority Knoche and M.J.Bukovac;Weed Science,Vol.41,No.1(Jan.-Mar.,1993),pp.87-93的研究中，发现单独的草甘膦穿透诸如糖用甜菜和甘蓝植物的叶面的能力非常小。甜菜叶具有非晶蜡质表面，而甘蓝叶在其表面上具有良好的结晶蜡质。通过使草甘膦结合一系列聚环氧乙烷取代的苯酚表面活性剂，观察到这些类型的系统可以穿透叶面。环氧乙烷(EO)取代的烷基酚(5～30的EO单元)显示出特殊的情况，其中，一些结构提高草甘膦的铺展或叶面吸收，而其他降低草甘膦吸收或与叶片表面相互作用的能力(表36)。
表36不同的表面活性剂结构对草甘膦与蜡质叶面的相互作用能力的影响
Figure BDA00003490901900521
草甘膦的McGinniss方程参数为χO=0.476;χN=0.48和χP=0.18，这表明其是一种非常极性(高χO值)的结构。它还具有高水溶性(10500mg/l)且Log P=-3.2。由于其极性性质，往往停留在或从蜡质叶面洗掉，因此，需要一种与草甘膦相容的INDPn/ICn材料组合，能够润湿或铺展在叶面，并穿透蜡质屏障。聚环氧乙烷取代的酚类，其中环氧乙烷单元的数量在5～30变化，McGinniss方程χO值为0.23(极性较小的)～0.32(极性)，并且可以用来关联表36中描述的对草甘膦与蜡状叶面相互作用的观察。显示出最有前景的相互作用的表面活性剂的χO值在0.23～0.30的范围内，这涉及到具有相对低的到中度极性的表面活性剂结构。高的χO值(0.32或更高)开始接近草甘膦的χO值(0.476)，其不具备叶渗透或相互作用能力，除非制剂中存在合适极性的表面活性剂。这个实施例表明了解AI和表面活性剂结构两者的性能以设计高效的叶-AI渗透系统的重要性。
实施例15.
种子处理
种子处理用来在种子包衣(seed coating)中引入杀虫剂，以减少种子在土壤中发芽期间的疾病易感性。种子包衣可以改变水通过种子的运动，并且在种子包衣聚合物中的保护性杀虫剂可以增强在不利的环境条件下的种子的发芽和存活两者。
好的保护性种子包衣具有水敏性和非水敏性的聚合物材料的平衡。如表37所示的聚合物的McGinniss方程χO(定义为聚合物单体重复结构中包含的氧原子的重量%)是可用于种子包衣用途的聚合物(INDP1)水敏性的很好的指标。χO值越高，聚合物的水敏性越大，并且天然产品或可以作为界面控制(ICn)剂的表面活性剂也是如此，其控制包入种子包衣中的杀虫剂或除草剂释放到土壤中。
表37水敏性和χO(US专利4,566,906)
Figure BDA00003490901900531
还应当指出，天然产物，例如亚麻籽油、环氧化大豆油、虫胶(shellac)、呋喃和蔗糖材料，χO值分别为0.11、0.21、0.32、0.33和0.51，并且可以作为INDPn/ICn组分用作保护性种子包衣以及其他应用。
涂覆有对照INDP1聚合物(聚乙烯基异丁醚)的玉米种子，另一种涂覆有25/75(重量)%的聚乙酸乙烯酯(IC1)/聚乙烯基异丁醚的共混物的玉米种子，两种种子都置于水中2天。对照聚合物包衣的种子显示没有～小的破裂迹象，而聚合物共混物已从种子表面脱离(disbonded)。
实施例16.
AI聚合物和其他材料的分子模拟
任何材料(AI、聚合物表面活性剂等)的电子结构均是只能通过计算机分子模拟获得的重要参数。如果可以得到AI的电子结构并映射出其电荷密度，则在高效自组装控释系统的设计中可以使用另一个参数。
一旦将AI的电子结构映射出，则可以电脑模拟不同类型聚合物或表面活性剂的电荷密度，以确定哪些结构具有最大的潜力与AI强或弱相互作用(INDPn或ICn)并创建控释系统。
表38中示出了每个AI原子2,4-D(2,4-二氯苯氧基乙酸)的电荷密度值。使用软件HyperChemTM Release 2 for windows Computer software program(Autodesk,Inc.,March16,1993;Scientific Modeling Division,2320MarinshipWay,Sausalito,CA94965)在标准的桌面电脑上通过计算建模来确定这些带电值。
2,4-D的偶极矩计算为μ=2.03，2,4-D结构的每个原子上的所有的正和负的电荷值列于表38。根据这些电荷密度分配(assignments)，可以决定该分子的最大负电性和正电性的区域，其涉及到与其它材料的最强或最弱的电子吸引将在哪里发生。例如，最大的负电性电荷密度与碳原子1(1C=芳香的)上的氧(1-O-)[-0.363]、以及羧基官能团(COO)的O==上的{碳原子(8C=)[-0.189]上的双键氧以及碳原子(8C=)上的单个氧原子-O-[-0.352]}相关。
一旦该区域和2,4-D AI的最高和最低负电性幅度已知，那么可以模拟不同的聚合物，看看它们是否有类似或不同的电荷分布，这个信息会帮助决定哪种聚合物结构可能对具有2,4-D分子的自组装控释系统更好。
在表39中，是聚乙烯基醇(PVOH)和聚丙烯酸(PAA)的单体重复单元中所有原子的电子电荷密度分布的计算机生成的模型。所计算的PVOH偶极矩为μ=1.6，计算的PAA偶极矩为μ=1.96；所以，这两种聚合物结构具有非常大的差异，PAA的偶极矩与2,4-D的偶极矩(μ=2.03)非常接近。
PVOH的电子结构在连接到碳原子1C的氧原子上具有最高负电性(-0.288)。
PAA的电子结构在3O=(连接到3C的双键氧原子)(-0.368)和3-O-(连接到3C=O的单键氧原子)(-0.314)具有最高负电性，这与2,4-D的负电荷分布是非常相似的。
将2,4-D加入到两种聚合物中，并且2,4-D-PAA(AI-INDP1)组合显示出较2,4-D-PVOH(AI-INDP2)系统更好的控释曲线(释放速率较慢)。我们认为，PAA电子结构与2,4-D具有强的相互作用能力，这将影响该系统的控释性能。这些类型的AI-聚合物或其他材料潜在的相互作用的分子模拟研究可以成为新的工具，以帮助设计新型控释产品。
表382,4-D(2,4-二氯苯氧基乙酸)的分子模拟
Figure BDA00003490901900551
表39聚乙烯基醇(PVOH)和聚丙烯酸(PAA)的单体重复单元的分子模拟
Figure BDA00003490901900561

Claims (11)

1.构建带有活性成分(“AI”)的自组装聚合物颗粒的方法，该方法包括以下步骤：
(a)确定AI的溶解度参数，所述AI具有针对用户定义的应用的用户定义无需AI证实的特性；
(b)使AI的溶解度参数与第一聚合物的溶解度参数匹配，以形成AI/第一聚合物的稳定共混物；
(c)确定第二聚合物界面控制剂，第二聚合物界面控制剂协助所述AI/第一聚合物共混物中的所述AI表现针对用户定义的应用的用户定义的特性，并且共混所述第二聚合物界面控制剂和所述AI/第一聚合物共混物以形成第二共混物；
(d)如果所述第二共混物在水中是不稳定的，则向所述第二共混物中添加水稳定添加剂；以及
(e)如果存在水稳定添加剂，制备所述第二共混物和所述水稳定添加剂的水稳定共混物；
通过在表面上沉积所述第二共混物，所述第二共混物形成自组装聚合物颗粒，所述自组装聚合物颗粒具有所述AI的核，以及包封所述AI的所述第一聚合物、所述第二聚合物界面控制剂和如果存在的所述水稳定添加剂。
2.根据权利要求1的方法，其中，AI与溶解度参数匹配的自由基或缩合型单体结合，在AI存在下该单体聚合以形成纳米或微米尺寸的包封有AI的聚合物。
3.根据权利要求1的方法，其中，AI与聚合物稳定剂结合，并在水中乳化以形成包含所述AI的纳米或微米尺寸的乳液。
4.根据权利要求1的方法，其中，溶解度参数匹配的聚合物形成纳米或微米尺寸的颗粒，并且通过将所述AI与水性或非水性分散体接触或通过汽相扩散所述AI到所述聚合物颗粒中，将AI并入所述聚合物颗粒。
5.根据权利要求1的方法，其中，溶解度参数匹配的聚合物形成所述溶解度参数相匹配的聚合物的纳米或微米颗粒的水/油或油/水乳液，其中，AI扩散到乳液中并被稳定。
6.根据权利要求1的方法，其中，所述AI的作用方式过慢、过快、过于有穿透性、或没有充分的穿透性以满足所述用户定义的特性。
7.根据权利要求1的方法，其中，将所述自组装聚合物颗粒应用至土壤、种子、植物叶子或昆虫中的一种或多种中。
8.根据权利要求1的方法，其中，所述AI是杀真菌剂、杀虫剂或除草剂中的一种或多种。
9.根据权利要求1的方法，其中，所述AI在土壤处理、叶处理、种子处理或昆虫处理方面起作用。
10.根据权利要求1的方法，其中，所述AI是天然产品。
11.根据权利要求1的方法，其中，所述AI是固体、液体或水中的固体分散体、有机溶剂中的固体分散体、植物油中的固体分散体、水中的均匀溶液、有机溶剂中的均匀溶液或植物油中的均匀溶液中的一种或多种。
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