Hydrophil-Lipophil-Gleichgewicht (HLB)

HLB-Skala

Es handelt sich um eine konventionelle Skala, die erste in der Geschichte, die als Griffin-Skala bezeichnet wird und zwanzig Stufen von 0 bis 20 umfasst und sich hauptsächlich auf nichtionische Tenside bezieht. Die Einordnung der Eigenschaften einer Substanz auf der Skala ermöglicht es, bestimmte Merkmale vorherzusagen:

1. Es wird angenommen, dass eine Substanz mit einem Wert zwischen null und zehn eine größere Affinität zu lipophilen Molekülen hat und sich daher besser in Ölen und hydrophoben Verbindungen als in Wasser löst.
2. Oberhalb von zehn steigt hingegen die Affinität zu Wasser und hydrophilen Partikeln. Tenside mit einem HLB-Wert > 10 sind daher hydrophiler und ihre Löslichkeit in Wasser steigt, während sie in Ölen sinkt.
3. Ein Zwischenwert von 10 bedeutet, dass die Verbindung sowohl hydrophile als auch hydrophobe Molekülteile aufweist. Das Verhältnis ihrer Werte zueinander beträgt ungefähr 1:1.
4. Extremwerte: 0 steht für eine Verbindung, die ausschließlich aus hydrophoben Gruppen besteht, und 20 wird Substanzen zugeordnet, die in ihrer Struktur nur hydrophile Teile aufweisen.

Was sagt uns die HLB-Skala?

Im Zusammenhang mit der Verwendung von Tensiden bildet die Hydrophil-Hydrophob-Balance die Grundlage für die Entwicklung von Formulierungen. Je nach Wert weisen Tenside unterschiedliche Eigenschaften auf:

1. Werte von 1 bis 3 – Entschäumer,
2. Werte von 3 bis 6 – Emulgatoren vom Typ W/O, d. h. Wasser in Öl, die einen Dispersionseffekt einer milchigen Suspension erzeugen,
3. Werte von 7 bis 9 – Benetzungs- und Beschichtungsmittel, die eine stabile milchige Suspension bilden,
4. Werte von 9 bis 18 – Emulgatoren vom Typ O/W, d. h. Öl in Wasser, die meist eine transparente und klare Suspension bilden,
5. Werte von 13 bis 15 – Waschmittel, Detergentien, transparente Lösungen,
6. Werte von 13 bis 18 – Solubilisatoren, transparente Lösungen.

Dank der Kenntnis der HLB-Werte ist unter anderem die richtige Auswahl des Emulgators für ein bestimmtes Emulsionssystem möglich.

Erweiterung der Griffin-Skala

Die ursprünglich geltende 20-stufige Skala wurde schließlich auf 40 Stufen erweitert. Grund dafür sind lipophile Verbindungen vom ionischen Typ, die im Laufe der Umwandlungen in Lösungen immer hydrophiler werden.

Wie berechnet man den HLB-Wert?

1. Für die meisten Substanzen verwenden wir eine vereinfachte Formel:

2. Für oxyethylierte Fettsäuren, d. h. Verbindungen aus der Gruppe der Ester, wurde eine Formel abgeleitet, die um ihre Verseifungszahl und Säurezahl erweitert wurde.

Dabei gilt:

• LZ – Verseifungszahl des oxyethylierten Produkts ,
• LK – Säurezahl der oxyethylierten Säure .

Experimentelle Methoden

Der HLB-Wert kann nicht nur berechnet, sondern auch experimentell bestimmt und überprüft werden. Dazu dienen unter anderem folgende Techniken: Emulsionsmethoden, NMR-Spektralphotometrie, Gaschromatographie, die auf den charakteristischen Eigenschaften von Tensiden basieren, darunter:

• Adsorptionswärme,
• Schaumbildungseigenschaften,
• Benetzungswinkel,
• Grenzflächenspannung,
• CMC, d. h. kritische Mizellkonzentration,
• PIT, d. h. Phasenumkehrtemperatur.

Emulsionen

Das Gleichgewicht zwischen hydrophilen und hydrophoben Eigenschaften ist ein entscheidender Faktor bei der Auswahl von Anwendungsrezepturen. Jede Emulsion, zum Beispiel Cremes, Milch und Lotionen, besteht aus zwei Teilen – einer wässrigen und einer öligen Phase. Aufgrund ihrer unterschiedlichen chemischen Eigenschaften vermischen sich diese beiden Teile nicht miteinander und bilden nach einer erzwungenen Homogenisierung nur instabile Emulsionen. Die Moleküle der einen Flüssigkeit sind zwischen den Molekülen der anderen verteilt oder suspendiert.

Aus diesem Grund werden in den Formulierungen Substanzen hinzugefügt, die als Emulgatoren bezeichnet werden und die Fähigkeit der übrigen Inhaltsstoffe zur Bildung stabiler Emulsionen verbessern.

Wovon hängt die Auswahl des idealen Emulgators ab?

1. 1. Eigenschaften und Zusammensetzung der Lipidphase,
   2. Art der gewünschten Emulsion:
      1. O/W, d. h. Öl in Wasser, ist ein in Kosmetika häufig verwendeter Emulsionstyp, bei dem die lipophile Ölphase in der hydrophilen Wasserphase verteilt ist. Solche Emulsionen zeichnen sich durch eine leichte Konsistenz und eine gute Absorption aus.
      2. W/O, d. h. Wasser in Öl, ist eine Emulsion, in der die hydrophile Wasserphase in der lipophilen Ölphase verteilt ist. Solche Emulsionen zeichnen sich durch eine fettigere und dickere Konsistenz aus, was unter anderem dazu beiträgt, den Feuchtigkeitsverlust zu reduzieren und die Haut vor äußeren Einflüssen zu schützen.

Beispiele für Emulgatoren vom Typ W/O

Nichtionische Emulgatoren, die Ester von Alkoholen und Fettsäuren, Ester von mehrwertigen Alkoholen und Fettsäuren, Ester von Sorbitan und höheren Fettsäuren sind:

• Weißes Bienenwachs,
• Gelbes Bienenwachs,
• Lanolin,
• Glycerylmonostearat.

Beispiele für Emulgatoren vom Typ O/W

Zu dieser Gruppe gehören anionisch wirksame und nichtionische Emulgatoren:

• Seifen: Natrium-, Kalium- und Ammoniumsalze höherer Fettsäuren sowie Seifen mehrwertiger Metalle wie Magnesiumoleat,
• Polysorbate: Tween, Myrj, Blockpolymere.

HLB in der Praxis

Für Fettrohstoffe können wir eine Liste der besten Emulgatoren erstellen, je nachdem, welche Art von Emulsion wir erhalten möchten. Nachfolgend finden Sie Beispiele für HLB-Emulgatoren, die verwendet werden können, um eine Emulsion aus einem bestimmten Rohstoff und Wasser zu erhalten:

Bestandteil der lipophilen Phase für Emulsionen

Beispiel: Um eine W/O-Emulsion aus Bienenwachs und Wasser zu erhalten, muss ein Emulgator mit einem HLB-Wert von 4 verwendet werden. Um eine O/W-Emulsion aus denselben Inhaltsstoffen zu erhalten, muss ein Emulgator mit einem HLB-Wert von 12 verwendet werden. Bei Cetylalkohol und Stearylalkohol ist für die Herstellung einer W/O-Emulsion kein Emulgator erforderlich.

Berechnung des HLB-Werts des Emulgators

Um die gewünschte Emulsion zu stabilisieren, muss der HLB-Wert für den Emulgator oder die Emulgatormischung berechnet werden. Zu diesem Zweck wird der HLB-Wert ausschließlich für den Fettanteil berechnet, auch wenn dessen Anteil in der Rezeptur gering ist. Für Emulgatorgemische berechnen wir den HLB-Wert auf der Grundlage der einzelnen Bestandteile und ihres relativen Anteils am Gemisch. Ein Großteil der Öle, Butter und Wachse hat einen HLB-Wert zwischen 6 und 8, jedoch können einige Fette erheblich von diesen Werten abweichen. Beispielsweise beträgt der HLB-Wert von Rizinusöl 14. Das bedeutet, dass die Verwendung einer Fettmischung in der Ölphase je nach deren Zusammensetzung zu einer vollständigen Veränderung des HLB-Werts des für die Emulgierung empfohlenen Emulgators führen kann.

Beispielwerte für den HLB-Wert von Emulgatoren

• GMS: 3-4,
• Propylenglykolmonostearat: 3,4,
• Glycerinmonostearat: 3,8,
• Span 80: 4,3,
• Tween 80: 15,
• Polysorbat 20: 16-17.