Sistema HLB: Como Escolher Emulsificante pelo HLB Requerido

Sua fase oleosa e sua fase aquosa não permanecerão misturadas. Você produziu um lote, ele parecia bom ao sair do misturador e, na manhã seguinte, uma camada transparente de óleo havia flutuado para o topo ou um anel de creme havia se formado na superfície. O reflexo é adicionar mais emulsificante ou trocar por aquilo que funcionou no último produto. Existe uma maneira mais rápida de estreitar o campo antes de tocar na bancada do laboratório: o sistema HLB transforma “qual emulsificante?” em um problema aritmético que você pode resolver no papel.

A versão resumida: O HLB (equilíbrio hidrofílico-lipofílico) é um número de 0 a 20 que descreve o quanto um surfactante não iônico é atraído pela água em comparação com o óleo. HLB baixo (3-6) é adequado para emulsões água em óleo (A/O) ; HLB alto (8-18) é adequado para emulsões óleo em água (O/A) ; valores em torno de 7-9 são agentes umectantes e 15-18 são solubilizantes. Separadamente, todo óleo tem um HLB requerido, o HLB de que um sistema emulsificante precisa para emulsificá-lo. Você escolhe um emulsificante (ou mistura dois) cujo HLB corresponda ao HLB requerido da sua fase oleosa. Para atingir um alvo, você mistura um emulsificante de HLB alto como o Polisorbato 80 (HLB 15,0) com um de HLB baixo como o Monooleato de sorbitano (HLB 4,3) usando uma média ponderada. O HLB estreita o campo para alguns candidatos; ele não garante uma emulsão estável, então você ainda deve confirmar no seu próprio sistema.

O que o HLB realmente é

O HLB é um único número, de aproximadamente 0 a 20, que pontua o equilíbrio entre a cabeça hidrofílica (atraída pela água) de um surfactante e sua cauda lipofílica (atraída pelo óleo). William C. Griffin introduziu o conceito em 1949 na Atlas Powder Company especificamente para surfactantes não iônicos como os ésteres de sorbitano e suas contrapartes polisorbato etoxiladas. Um valor próximo de 0 significa que a molécula é quase totalmente solúvel em óleo. Um valor próximo de 20 significa que ela é quase totalmente solúvel em água. O ponto médio, próximo de 10, é o ponto de cruzamento.

O método de Griffin calcula o HLB a partir da composição: aproximadamente a fração de massa da molécula que é hidrofílica, dimensionada de 0 a 20 (para um grupo hidrofílico composto apenas por óxido de etileno, HLB ≈ porcentagem em peso de óxido de etileno ÷ 5). Você não precisa fazer esse cálculo, porque os valores para emulsificantes padrão são publicados e consistentes entre os fornecedores. O que importa no laboratório é que o HLB é aditivo: misture dois emulsificantes e a mistura se comporta, em uma primeira aproximação, como um único emulsificante no HLB médio ponderado. Essa aditividade é a propriedade que faz todo o sistema funcionar.

O que as faixas de HLB significam

O número informa para que serve um surfactante. Estas bandas são o mapa prático da escala:

A divisão mais útil de todas está em 10: abaixo dela, o emulsificante prefere a fase oleosa e estabiliza gotículas de água dispersas em óleo; acima dela, o emulsificante prefere a água e estabiliza gotículas de óleo dispersas em água. Portanto, a primeira decisão é o tipo de emulsão que você deseja. Uma loção para a pele, um refrigerante para usinagem de metais e a maioria dos sprays agroquímicos são O/A e exigem emulsificantes de HLB alto (8-16). Um creme protetor espesso ou um fluido de perfuração água em óleo é A/O e exige emulsificantes de HLB baixo (3-6). Decida primeiro o tipo de emulsão; isso define em qual metade da escala você está procurando.

Valores de HLB de graus comuns de polisorbato e sorbitano

As famílias de polisorbato (éster de sorbitano etoxilado) e éster de sorbitano são o par não iônico de trabalho para formulação com HLB porque abrangem toda a escala e se misturam de forma limpa. Os valores abaixo são os números padrão publicados usados em toda a indústria:

Dois padrões merecem ser lidos na tabela. Primeiro, etoxilar um éster de sorbitano (adicionar a cadeia de polietilenoglicol que transforma um sorbitano em um polisorbato) aumenta o HLB em cerca de 10 pontos, que é exatamente por que essas duas famílias combinam tão bem: uma alta, uma baixa, mesma estrutura. Segundo, adicionar caudas de ácidos graxos reduz acentuadamente o HLB, então um triéster como o tristearato de sorbitano (2,1) fica muito abaixo do monoéster Monoestearato de sorbitano (4,7). Quando você precisa de um parceiro de HLB alto, recorra a um polisorbato; para o parceiro de HLB baixo, um éster de sorbitano do mesmo ácido graxo ou de um complementar mantém a química consistente.

HLB requerido: cada óleo tem um número-alvo

Aqui está o conceito que une tudo. Cada óleo, cera ou componente da fase oleosa tem um HLB requerido (às vezes escrito RHLB): o valor de HLB que um sistema emulsificante precisa ter para emulsioná-lo em uma emulsão estável. Iguale o HLB do sistema emulsificante ao HLB requerido do óleo e você estará na zona onde uma emulsão estável é alcançável. Erre por alguns pontos e as gotículas coalescem e o lote se separa. O HLB requerido é determinado experimentalmente (você emulsiona o óleo com uma série de misturas em valores de HLB escalonados e descobre qual fornece a emulsão mais compacta e estável), e os valores publicados variam um pouco entre as fontes, então trate-os como pontos de partida bem estabelecidos em vez de constantes exatas:

Uma fase oleosa real raramente é um único ingrediente, então seu HLB requerido é a média ponderada dos HLBs requeridos de seus componentes, pelo peso da fase oleosa. Isso lhe dá um número-alvo único para direcionar a mistura emulsificante. Recomendação: quando um componente estiver ausente das tabelas publicadas, execute uma escada de HLB rápida (misturas de cerca de 8 a 16 em passos de 1-2) e leia a estabilidade do resultado em vez de adivinhar o valor.

O cálculo da mistura, resolvido

Dois emulsificantes quase sempre superam um só, porque um surfactante de HLB alto e um de HLB baixo se distribuem para lados opostos da interface óleo-água e a compactam mais firmemente do que qualquer um sozinho. A matemática são dois passos curtos.

Passo 1: encontre o HLB requerido da fase oleosa. Suponha que uma loção O/A tenha uma fase oleosa que seja, por peso total da fórmula, 15% de óleo mineral leve (HLB requerido 10) e 5% de álcool cetílico (HLB requerido 15,5). Dentro da fase oleosa de 20%, o óleo mineral é 0,75 do óleo e o álcool cetílico é 0,25. Faça a média ponderada de seus HLBs requeridos:

“ Required HLB (oil phase) = (0.75 x 10) + (0.25 x 15.5) = 7.5 + 3.875 = 11.4 “

Passo 2: misture dois emulsificantes para atingir esse alvo. Escolha um emulsificante de HLB alto e um de HLB baixo que englobem 11,4. Polisorbato 80 (HLB 15,0) e Monooleato de sorbitano (HLB 4,3) o englobam bem. A fração do emulsificante de HLB alto na mistura é:

“ fraction(high) = (target HLB - low HLB) / (high HLB - low HLB) = (11.4 - 4.3) / (15.0 - 4.3) = 7.1 / 10.7 = 0.66 “

Então a mistura emulsificante é de cerca de 66% de Polisorbato 80 e 34% de Monooleato de sorbitano. Verifique com a média ponderada: (0,66 x 15,0) + (0,34 x 4,3) = 9,9 + 1,5 = 11,4. O HLB da mistura chega ao HLB requerido da fase oleosa.

Passo 3: defina a carga total de emulsificante. O HLB informa a *proporção*, não a *quantidade*. Um ponto de partida comum é uma carga total de emulsificante próxima de um quarto do peso da fase oleosa, o que aqui (fase oleosa de 20%) significa cerca de 5% de emulsificante total, dividido na proporção 66/34: cerca de 3,3% de Polisorbato 80 e 1,7% de Monooleato de sorbitano. Esse é um ponto de partida para otimizar, não uma resposta final; ajuste a carga total para cima ou para baixo conforme a estabilidade e a sensação.

Um fluxo de trabalho de seleção que você pode repetir

1. Escolha o tipo de emulsão. O/A ou A/O? Isso define se você precisa de um sistema de HLB alto (8-16) ou de um sistema de HLB baixo (3-6). 2. Calcule o HLB requerido da fase oleosa como o HLB requerido ponderado por peso de cada componente da fase oleosa. 3. Escolha um par de emulsificantes alto/baixo que englobe o alvo, idealmente de uma família química combinada (um polisorbato mais um éster de sorbitano). 4. Resolva a proporção da mistura com a fórmula da fração acima, depois verifique com a média ponderada. 5. Defina uma carga total de teste (um quarto do peso da fase oleosa é um primeiro corte razoável) e divida-a pela proporção. 6. Faça-a e depois teste-a. Execute uma escada de HLB de alguns pontos em torno do seu alvo e uma verificação de estabilidade acelerada, porque o valor calculado é o centro da sua busca, não a linha de chegada. Para os modos de falha que você está observando, veja por que as emulsões se separam.

Onde o HLB para e o que ele não pode lhe dizer

HLB é um guia inicial, não uma garantia. É uma propriedade da estrutura do surfactante isoladamente, portanto ignora tudo o mais que controla uma emulsão real: temperatura, teor de eletrólitos, a proporção de fases, o cisalhamento de processamento e a compatibilidade molecular entre a cauda do emulsificante e o óleo específico. Dois emulsificantes podem compartilhar um HLB de 12 e ter desempenhos muito diferentes porque um tem uma cauda que combina com seu óleo e o outro não. O HLB também não trata bem os surfactantes iônicos (seu comportamento aditivo limpo é uma história de não iônicos), e o HLB ótimo para um dado óleo muda com a temperatura, razão pela qual existe a abordagem PIT (temperatura de inversão de fases) relacionada para sistemas sensíveis à temperatura. O compromisso honesto: o HLB reduz sua lista de candidatos de dezenas para alguns poucos em uma tarde na mesa, mas a escolha final ainda é conquistada na bancada. Use-o para escolher o que testar primeiro, não o que expedir.

Fornecimento de emulsificantes de polisorbato e sorbitano

A RawSource fornece o par completo de emulsificantes não iônicos para formulação por HLB: polisorbatos de alto HLB (Polisorbato 20, Polisorbato 40, Polisorbato 60, Polisorbato 80, Polisorbato 85) e ésteres de sorbitano de baixo HLB (laurato de sorbitano, isoestearato de sorbitano, monoestearato de sorbitano, Monooleato de sorbitano, triestearato de sorbitano) para manufatura industrial e clientes de formulação, em tambores, IBCs e a granel, com documentação de Certificado de Análise (CoA). Informe-nos sua fase oleosa e o HLB alvo e solicite amostras de um par alto/baixo para executar sua própria escala de HLB.

Perguntas frequentes

O que é HLB (equilíbrio hidrofílico-lipofílico)?

HLB é um número de cerca de 0 a 20 que pontua o quanto um surfactante não iônico é atraído pela água versus pelo óleo, com base no equilíbrio entre sua cabeça hidrofílica e sua cauda lipofílica. Foi introduzido por William Griffin em 1949. Valores baixos (próximos de 0) são solúveis em óleo; valores altos (próximos de 20) são solúveis em água; o ponto de transição fica perto de 10.

O que é HLB requerido?

HLB requerido é o valor de HLB que um sistema emulsificante precisa para emulsionar um determinado óleo em uma emulsão estável. Cada óleo, cera ou ingrediente de fase oleosa tem seu próprio HLB requerido (por exemplo, o óleo mineral leve é cerca de 10 e a cera de abelha cerca de 9-11 para O/A). Você combina o HLB da mistura emulsificante com o HLB requerido da fase oleosa. Ele é determinado experimentalmente e os valores publicados variam ligeiramente entre as fontes.

Como calculo o HLB de uma mistura?

Use uma média ponderada por peso: HLB(mistura) = (fração A x HLB A) + (fração B x HLB B). Para encontrar a proporção do emulsificante de alto HLB necessária para atingir um alvo, reorganize para fração(alto) = (HLB alvo – HLB baixo) / (HLB alto – HLB baixo). Exemplo: para atingir HLB 11,4 com Polisorbato 80 (15,0) e Monooleato de sorbitano (4,3), fração(alto) = (11,4 – 4,3) / (15,0 – 4,3) = 0,66, então 66% de Polisorbato 80 e 34% de Monooleato de sorbitano.

Qual é a diferença entre o HLB do polisorbato e o do sorbitano?

Os polisorbatos são ésteres de sorbitano etoxilados, e a cadeia de polietilenoglicol os torna fortemente hidrofílicos, portanto possuem valores altos de HLB (o Polisorbato 80 é 15,0, o Polisorbato 20 é 16,7) e atuam como emulsificantes O/A. Os ésteres de sorbitano de base não têm essa cadeia, portanto são lipofílicos com valores baixos de HLB (Monooleato de sorbitano 4,3, monoestearato de sorbitano 4,7) e atuam como emulsificantes A/O ou parceiros de baixo HLB. Por compartilharem uma estrutura base, um polisorbato e um éster de sorbitano formam um par natural alto/baixo.

Qual HLB eu preciso para uma emulsão óleo-em-água versus água-em-óleo?

Para óleo-em-água (O/A), onde gotículas de óleo ficam em uma fase aquosa contínua, você precisa de um sistema emulsificante de alto HLB, tipicamente 8-18 e, na maioria das vezes, 8-16. Para água-em-óleo (A/O), onde gotículas de água ficam em uma fase oleosa contínua, você precisa de um sistema de baixo HLB, tipicamente 3-6. Decida primeiro o tipo de emulsão, pois isso define de qual metade da escala você seleciona.

Combinar o HLB garante uma emulsão estável?

Não. O HLB restringe os emulsificantes candidatos à região certa e é a melhor triagem apenas no papel disponível, mas ignora temperatura, eletrólitos, proporção de fases, cisalhamento de processamento e o quão bem a cauda do emulsificante combina com o óleo específico. Dois emulsificantes com o mesmo HLB podem se comportar de forma diferente. Trate o HLB calculado como o centro de sua busca experimental e confirme a estabilidade em seu próprio sistema.

Nota editorial. Este artigo é uma orientação técnica geral para profissionais industriais e de formulação. Os valores de HLB são números publicados e bem estabelecidos, listados aqui como auxílio de seleção; o HLB exato necessário de uma fase oleosa, a proporção ideal de emulsificante e a estabilidade final da emulsão dependem dos seus ingredientes específicos, da proporção de fases, da temperatura e do processamento, e devem ser validados no seu próprio sistema. O Certificado de Análise (CoA) rege o grau que você compra. Polisorbato 80 e ésteres de sorbitano são tensoativos não iônicos semissintéticos; consulte a Ficha de Dados de Segurança (SDS) atual e use o manuseio apropriado para sua aplicação. Os produtos são vendidos apenas para uso industrial e profissional. Nada aqui constitui uma alegação médica, de saúde, de segurança ou de eficácia. A RawSource não oferece garantia, expressa ou implícita, e não assume responsabilidade pelo uso destas informações.