Гидрофильно-липофильный баланс (HLB)

Шкала значений HLB

Это условная шкала, первая в истории, называемая шкалой Гриффина, которая имеет двадцать ступеней, от 0 до 20, и относится в основном к неионогенным поверхностно-активным веществам. Расположение свойств веществ на шкале позволяет предсказать некоторые их характеристики:

1. Принимается, что от нуля до десяти вещество имеет большее сродство к липофильным молекулам, а значит, лучше растворяется в маслах и гидрофобных соединениях, чем в воде.
2. Выше десяти увеличивается сродство к воде и гидрофильным частицам. Поверхностно-активные вещества с HLB>10 являются более гидрофильными, их растворимость в воде увеличивается, а в маслах уменьшается.
3. Промежуточное значение 10 означает, что соединение имеет как гидрофильные, так и гидрофобные части молекул. Соотношение их значений составляет примерно 1:1.
4. Крайние значения: 0 означает соединение, состоящее исключительно из гидрофобных групп, а 20 присваивается веществам, которые имеют в своей структуре только гидрофильные части.

О чем нам сообщает шкала значений HLB?

В контексте использования поверхностно-активных веществ шкала гидрофильно-гидрофобного баланса является основой при создании рецептур. В зависимости от ее значения поверхностно-активные вещества характеризуются различными свойствами:

1. Значения от 1 до 3 — антипенные средства,
2. Значения от 3 до 6 — эмульгаторы типа W/O, то есть вода в масле, дающие эффект дисперсии молочной суспензии,
3. Значения от 7 до 9 — смачивающие и покрывающие средства, представляющие собой стабильную молочную суспензию,
4. Значения от 9 до 18 — эмульгаторы типа O/W, то есть масло в воде, представляющие собой в большинстве случаев прозрачную и чистую суспензию,
5. Значения от 13 до 15 — моющие средства, детергенты, прозрачные растворы,
6. Значения от 13 до 18 – солюбилизаторы, прозрачные растворы.

Знание значения HLB позволяет, среди прочего, правильно подобрать эмульгатор для данной эмульсионной системы.

Расширение шкалы Гриффина

Первоначально действовавшая двадцатиступенчатая шкала в конечном итоге была расширена до сорока ступеней. Это связано с липофильными соединениями ионного типа, которые в процессе превращений в растворах становятся все более гидрофильными.

Как рассчитать HLB?

1. Для большинства веществ мы используем упрощенную формулу:

2. Для оксиэтиленных жирных кислот, то есть соединений из группы эфиров, была выведена формула, расширенная на их омыляемость и кислотность.

Где:

• LZ – омыляемость продукта оксиэтилирования ,
• LK – кислотность оксиэтилированной кислоты .

Экспериментальные методы

Число HLB можно не только рассчитать, но и определить и проверить экспериментально. Для этого используются такие методы, как, среди прочего: эмульсионные методы, спектрофотометрия ЯМР, газовая хроматография, которые основаны на характерных свойствах поверхностно-активных веществ, в том числе:

• Тепло адсорбции,
• пенообразующие свойства,
• угол смачивания,
• межфазное натяжение,
• CMC, то есть критическая мицеллярная концентрация,
• PIT, то есть температура фазовой инверсии.

Эмульсии

Гидрофильно-гидрофобный баланс является ключевым элементом при выборе рецептур. Каждая эмульсия, например: кремы, молочки и бальзамы, состоит из двух частей — водной и масляной фаз. Из-за своих разнородных химических свойств эти две части не смешиваются друг с другом, а после принудительной гомогенизации образуют только нестойкие эмульсии. Молекулы одной жидкости рассеяны или взвешены между молекулами другой.

По этой причине в рецептурах используются добавки, называемые эмульгаторами, которые улучшают способность остальных компонентов образовывать стабильные эмульсии.

От чего зависит выбор идеального эмульгатора?

1. Свойства и состав липидной фазы,
2. Тип желаемой эмульсии:
   1. O/W, то есть масло в воде, — это широко используемый в косметике тип эмульсии, в которой липофильная масляная фаза рассеяна в гидрофильной водной фазе. Такие эмульсии характеризуются легкой консистенцией и легким впитыванием,
   2. W/O, то есть вода в масле, представляет собой эмульсию, в которой гидрофильная водная фаза рассеяна в липофильной масляной фазе. Такие эмульсии отличаются более жирной и густой консистенцией, что, среди прочего, способствует уменьшению потери влаги, а также защищает кожу от внешних факторов.

Примеры эмульгаторов типа W/O

Неионогенные эмульгаторы, представляющие собой эфиры спиртов и жирных кислот, эфиры многоатомных спиртов и жирных кислот, эфиры сорбитана и высших жирных кислот:

• Белый пчелиный воск,
• Желтый пчелиный воск,
• Ланолин,
• Моностеарин глицерина.

Примеры эмульгаторов типа O/W

К этой группе относятся анионоактивные и неионогенные эмульгаторы:

• Мыла: натриевые, калиевые и аммониевые соли высших жирных кислот, а также мыла многовалентных металлов, такие как олеатин магния,
• Полисорбаты: Tween, Myrj, блок-полимеры.

HLB на практике

Для жирных сырьевых материалов мы можем составить список лучших эмульгаторов в зависимости от того, какой тип эмульсии мы хотим получить. Ниже приведены примеры HLB эмульгаторов, которые могут быть использованы для получения эмульсии из данного сырья и воды:

Компонент липофильной фазы для эмульсии

Пример: Для получения эмульсии типа W/O для пчелиного воска и воды необходимо использовать эмульгатор с HLB равным 4. Для получения эмульсии типа O/W из тех же компонентов необходимо использовать эмульгатор с HLB равным 12. В случае цетилового и стеарилового спиртов для получения эмульсии типа W/O не требуется эмульгатор.

Расчет HLB эмульгатора

Для стабилизации интересующей нас эмульсии необходимо рассчитать значение HLB для эмульгатора или смеси эмульгаторов. Для этого рассчитывается значение HLB только для жирной части, даже если ее доля в рецептуре незначительна. Для смесей эмульгаторов мы рассчитываем значение HLB на основе отдельных компонентов и их относительной доли в смеси. Большая часть масел, сливочного масла и восков имеет значение HLB в диапазоне от 6 до 8, однако некоторые жиры могут значительно отличаться от этих значений. Например, значение HLB касторового масла составляет 14. Это означает, что использование смеси жиров в масляной фазе может привести к полному изменению значения HLB эмульгатора, рекомендуемого для эмульгирования, в зависимости от их доли в составе.

Примерные значения HLB для эмульгаторов

• GMS: 3-4,
• Моностеарин пропиленгликоля: 3,4,
• Моностеарин глицерина: 3,8,
• Span 80: 4,3,
• Tween 80: 15,
• Полисорбат 20: 16-17.