Votre phase huileuse et votre phase aqueuse ne resteront pas mélangées. Vous avez produit un lot, il semblait correct à la sortie du mélangeur, et le lendemain matin une couche claire d’huile avait remonté à la surface ou un anneau de crème s’était formé en surface. Le réflexe est d’ajouter davantage d’émulsifiant, ou de passer à ce qui a fonctionné pour le produit précédent. Il existe un moyen plus rapide de réduire le champ des possibilités avant même de toucher la paillasse : le système HLB transforme la question « quel émulsifiant ? » en un problème arithmétique que vous pouvez résoudre sur papier.
En bref : Le HLB (balance hydrophile-lipophile) est un nombre de 0 à 20 qui décrit à quel point un tensioactif non ionique est hydrophile ou lipophile. Un HLB faible (3-6) convient aux émulsions eau-dans-huile (E/H) ; un HLB élevé (8-18) convient aux émulsions huile-dans-eau (H/E) ; les valeurs autour de 7-9 sont des agents mouillants et 15-18 des solubilisants. Séparément, chaque huile possède un HLB requis, le HLB dont un système émulsifiant a besoin pour l’émulsifier. Vous choisissez un émulsifiant (ou en mélangez deux) dont le HLB correspond au HLB requis de votre phase huileuse. Pour atteindre une cible, vous mélangez un émulsifiant à HLB élevé comme le Polysorbate 80 (HLB 15,0) avec un émulsifiant à faible HLB comme le monooléate de sorbitane (HLB 4,3) en utilisant une moyenne pondérée. Le HLB réduit le champ à quelques candidats ; il ne garantit pas une émulsion stable, vous devez donc toujours confirmer sur votre propre système.
Ce qu’est réellement le HLB
Le HLB est un nombre unique, allant d’environ 0 à 20, qui évalue l’équilibre entre la tête hydrophile (aimant l’eau) d’un tensioactif et sa queue lipophile (aimant l’huile). William C. Griffin a introduit ce concept en 1949 à l’Atlas Powder Company spécifiquement pour les tensioactifs non ioniques tels que les esters de sorbitane et leurs équivalents polysorbates éthoxylés. Une valeur proche de 0 signifie que la molécule est presque entièrement soluble dans l’huile. Une valeur proche de 20 signifie qu’elle est presque entièrement soluble dans l’eau. Le point médian, proche de 10, est le point de transition.
La méthode de Griffin calcule le HLB à partir de la composition : approximativement la fraction massique de la molécule qui est hydrophile, ramenée à 0-20 (pour un hydrophile constitué uniquement d’oxyde d’éthylène, HLB ≈ pourcentage massique d’oxyde d’éthylène ÷ 5). Vous n’avez pas besoin d’effectuer ce calcul, car les valeurs pour les émulsifiants standards sont publiées et cohérentes d’un fournisseur à l’autre. Ce qui importe en laboratoire, c’est que le HLB est additif: mélangez deux émulsifiants et le mélange se comporte, en première approximation, comme un émulsifiant unique au HLB moyenné en poids. Cette additivité est la propriété qui fait fonctionner l’ensemble du système.
Ce que signifient les plages de HLB
Le nombre vous indique à quoi un tensioactif est adapté. Ces bandes constituent la carte pratique de l’échelle :
| Plage de HLB | Fonction principale | Comportement de solubilité |
|---|---|---|
| 1-3 | Antimousse | Soluble dans l’huile |
| 3-6 | Émulsifiant eau-dans-huile (E/H) | Soluble dans l’huile |
| 7-9 | Agent mouillant et dispersant | Disperse / faiblement soluble dans l’eau |
| 8-18 | Émulsifiant huile-dans-eau (H/E) | Soluble dans l’eau |
| 13-15 | Détergent | Soluble dans l’eau |
| 15-18 | Solubilisant / xylènesulfonate de sodium | Nettement soluble dans l’eau |
La séparation la plus utile se situe à 10 : en dessous, l’émulsifiant préfère la phase huileuse et stabilise les gouttelettes d’eau dispersées dans l’huile ; au-dessus, l’émulsifiant préfère l’eau et stabilise les gouttelettes d’huile dispersées dans l’eau. La première décision est donc le type d’émulsion que vous souhaitez. Une lotion pour la peau, un fluide de refroidissement pour l’usinage des métaux et la plupart des pulvérisations agrochimiques sont H/E et nécessitent des émulsifiants à HLB élevé (8-16). Une crème protectrice épaisse ou un fluide de forage eau-dans-huile est E/H et nécessite des émulsifiants à faible HLB (3-6). Déterminez d’abord le type d’émulsion ; cela fixe la moitié de l’échelle dans laquelle vous ferez vos recherches.
Valeurs HLB des grades courants de polysorbate et de sorbitane
Les familles des polysorbates (esters de sorbitane éthoxylés) et des esters de sorbitane constituent le duo non ionique de référence pour la formulation HLB, car elles couvrent toute l’échelle et se mélangent proprement. Les valeurs ci-dessous sont les chiffres standards publiés utilisés dans l’ensemble de l’industrie :
| Grade (nom générique) | Chimie | HLB | Tend vers |
|---|---|---|---|
| Polysorbate 20 | monolaurate de sorbitane éthoxylé | 16.7 | H/E, solubilisant |
| Polysorbate 40 | monopalmitate de sorbitane éthoxylé | 15.6 | O/W |
| Polysorbate 80 | monooléate de sorbitane éthoxylé | 15.0 | O/W |
| Polysorbate 60 | monostéarate de sorbitane éthoxylé | 14.9 | O/W |
| Polysorbate 85 | trioléate de sorbitane éthoxylé | 11.0 | H/E (plus faible), couplage |
| Laurate de sorbitane | monolaurate de sorbitane | 8.6 | Mouillant, co-émulsifiant H/E de bas de gamme |
| Isostéarate de sorbitane | monoisostéarate de sorbitane | 4.7 | W/O |
| monostéarate de sorbitane | monostéarate de sorbitane | 4.7 | W/O |
| monooléate de sorbitane | monooléate de sorbitane | 4.3 | W/O |
| tristéarate de sorbitane | tristéarate de sorbitane | 2.1 | W/O |
Deux tendances méritent d’être relevées dans ce tableau. Premièrement, l’éthoxylation d’un ester de sorbitane (l’ajout de la chaîne de polyéthylène glycol qui transforme un sorbitane en polysorbate) fait bondir la HLB d’environ 10 points, ce qui explique précisément pourquoi ces deux familles s’associent si bien : l’une élevée, l’autre basse, même squelette. Deuxièmement, l’ajout de chaînes d’acides gras fait chuter fortement la HLB, de sorte qu’un tri-ester comme le tristéarate de sorbitane (2,1) se situe bien en dessous du mono-ester monostéarate de sorbitane (4,7). Lorsque vous avez besoin d’un partenaire à HLB élevée, optez pour un polysorbate ; pour le partenaire à HLB basse, un ester de sorbitane du même acide gras ou d’un acide gras complémentaire assure la cohérence de la chimie.
HLB requise : chaque huile a une valeur cible
Voici le concept qui relie le tout. Chaque huile, cire ou composant de la phase huileuse possède une HLB requis (parfois notée RHLB) : la valeur HLB dont un système émulsifiant a besoin pour l’émulsionner en une émulsion stable. Faites correspondre la HLB du système émulsifiant à la HLB requise de l’huile et vous vous trouvez dans la zone où une émulsion stable est réalisable. Manquez-la de quelques points et les gouttelettes coalescent et le lot se sépare. La HLB requise est déterminée expérimentalement (vous émulsionnez l’huile avec une série de mélanges à des valeurs HLB échelonnées et trouvez celui qui donne l’émulsion la plus serrée et la plus stable), et les valeurs publiées varient légèrement d’une source à l’autre, alors considérez-les comme des points de départ bien établis plutôt que comme des constantes exactes :
| Composant de la phase huileuse | HLB requise typique (pour H/E) |
|---|---|
| gelée de pétrole | 7-8 |
| Fluide silicone (diméthicone) | 5-9 |
| Huile minérale, légère | 10 |
| Huile minérale, lourde | 10-11 |
| paraffine | 10 |
| Cire d’abeille | 9-11 |
| Myristate d’isopropyle | 11.5 |
| Huile de ricin | 14 |
| 1-hexadécanol | 13-15.5 |
| acide stéarique | 15-17 |
Une phase huileuse réelle est rarement un seul ingrédient, donc sa HLB requise est la moyenne pondérée des HLB requises de ses composants, par poids de la phase huileuse. Cela vous donne une valeur cible unique à viser pour le mélange émulsifiant. Recommandation : lorsqu’un composant est absent des tableaux publiés, effectuez une échelle HLB rapide (mélanges d’environ 8 à 16 par pas de 1 à 2) et lisez la stabilité sur le résultat au lieu de deviner la valeur.
Le calcul du mélange, en pratique
Deux émulsifiants surpassent presque toujours un seul, car un tensioactif à HLB élevée et un à HLB basse se répartissent de part et d’autre de l’interface huile-eau et la garnissent plus étroitement que l’un ou l’autre seul. Le calcul se fait en deux courtes étapes.
Étape 1 : trouver la HLB requise de la phase huileuse. Supposons qu’une lotion H/E ait une phase huileuse composée, en poids total de la formule, de 15 % d’huile minérale légère (HLB requise 10) et de 5 % de 1-hexadécanol (HLB requise 15,5). Au sein de la phase huileuse à 20 %, l’huile minérale représente 0,75 de l’huile et le 1-hexadécanol 0,25. Faites la moyenne pondérée de leurs HLB requises :
“ Required HLB (oil phase) = (0.75 x 10) + (0.25 x 15.5) = 7.5 + 3.875 = 11.4 “
Étape 2 : mélanger deux émulsifiants pour atteindre cette cible. Choisissez un émulsifiant à HLB élevée et un à HLB basse qui encadrent 11,4. Le polysorbate 80 (HLB 15,0) et le monooléate de sorbitane (HLB 4,3) l’encadrent bien. La fraction de l’émulsifiant à HLB élevée dans le mélange est :
“ fraction(high) = (target HLB - low HLB) / (high HLB - low HLB) = (11.4 - 4.3) / (15.0 - 4.3) = 7.1 / 10.7 = 0.66 “
Le mélange émulsifiant est donc d’environ 66 % de polysorbate 80 et 34 % de monooléate de sorbitane. Vérifiez-le avec la moyenne pondérée : (0,66 x 15,0) + (0,34 x 4,3) = 9,9 + 1,5 = 11,4. La HLB du mélange correspond à la HLB requise de la phase huileuse.
Étape 3 : définir la charge totale d’émulsifiant. La HLB vous indique le *ratio*, pas la *quantité*. Un essai de départ courant est une charge totale d’émulsifiant proche d’un quart du poids de la phase huileuse, ce qui ici (phase huileuse à 20 %) signifie environ 5 % d’émulsifiant total, réparti selon le ratio 66/34 : environ 3,3 % de polysorbate 80 et 1,7 % de monooléate de sorbitane. C’est un point de départ à optimiser, pas une réponse finale ; ajustez la charge totale à la hausse ou à la baisse selon la stabilité et le toucher.
Un flux de sélection que vous pouvez répéter
1. Choisissez le type d’émulsion. H/E ou E/H ? Cela détermine si vous avez besoin d’un système à HLB élevée (8 à 16) ou d’un système à HLB basse (3 à 6). 2. Calculez la HLB requise de la phase huileuse comme la HLB requise moyenne pondérée de chaque composant de la phase huileuse. 3. Choisissez une paire d’émulsifiants haut/bas qui encadre la cible, idéalement issue d’une famille chimique assortie (un polysorbate plus un ester de sorbitane). 4. Résolvez le ratio du mélange avec la formule de fraction ci-dessus, puis vérifiez avec la moyenne pondérée. 5. Définissez une charge totale d’essai (un quart du poids de la phase huileuse est une première approximation raisonnable) et répartissez-la selon le ratio. 6. Fabriquez-le, puis testez-le. Effectuez une échelle HLB de quelques points autour de votre cible et un contrôle de stabilité accéléré, car la valeur calculée est le centre de votre recherche, pas la ligne d’arrivée. Pour les modes de défaillance que vous surveillez, voir pourquoi les émulsions se séparent.
Là où la HLB s’arrête, et ce qu’elle ne peut pas vous dire
HLB est un guide de départ, pas une garantie. C’est une propriété de la seule structure du tensioactif, elle ignore donc tout le reste qui régit une émulsion réelle : température, teneur en électrolytes, rapport des phases, cisaillement de traitement et l’adéquation moléculaire entre la queue de l’émulsifiant et l’huile spécifique. Deux émulsifiants peuvent partager un HLB de 12 et se comporter très différemment parce que l’un possède une queue qui correspond à votre huile et l’autre non. Le HLB ne traite pas non plus bien les tensioactifs ioniques (son comportement additif net est une histoire de non-ioniques), et le HLB optimal pour une huile donnée varie avec la température, ce qui explique pourquoi l’approche apparentée PIT (température d’inversion de phase) existe pour les systèmes sensibles à la température. Le compromis honnête : le HLB réduit votre liste de candidats de plusieurs dizaines à une poignée en un après-midi au bureau, mais le choix final se gagne encore à la paillasse. Utilisez-le pour choisir ce qu’il faut tester en premier, pas ce qu’il faut expédier.
Approvisionnement en émulsifiants polysorbate et sorbitane
RawSource fournit la paire complète d’émulsifiants non ioniques pour la formulation HLB : polysorbates à HLB élevé (Polysorbate 20, Polysorbate 40, Polysorbate 60, Polysorbate 80, Polysorbate 85) et esters de sorbitane à faible HLB (laurate de sorbitane, isostéarate de sorbitane, monostéarate de sorbitane, monooléate de sorbitane, tristéarate de sorbitane) pour la fabrication industrielle et les clients de formulation, en fûts, GRV et vrac, avec documentation de Certificat d’Analyse (CoA). Indiquez-nous votre phase huileuse et votre HLB cible et demandez des échantillons d’une paire haut/bas pour effectuer votre propre échelle HLB.
Foire aux questions
Qu’est-ce que le HLB (balance hydrophile-lipophile) ?
Le HLB est un nombre allant d’environ 0 à 20 qui évalue à quel point un tensioactif non ionique est hydrophile par rapport à lipophile, en fonction de l’équilibre entre sa tête hydrophile et sa queue lipophile. Il a été introduit par William Griffin en 1949. Les valeurs faibles (vers 0) sont solubles dans l’huile ; les valeurs élevées (vers 20) sont solubles dans l’eau ; le point de croisement se situe près de 10.
Qu’est-ce que le HLB requis ?
Le HLB requis est la valeur HLB dont un système émulsifiant a besoin pour émulsifier une huile particulière en une émulsion stable. Chaque huile, cire ou ingrédient de phase huileuse a son propre HLB requis (par exemple, l’huile minérale légère est d’environ 10 et la cire d’abeille d’environ 9-11 pour H/E). Vous ajustez le HLB du mélange émulsifiant au HLB requis de la phase huileuse. Il est déterminé expérimentalement et les valeurs publiées varient légèrement selon les sources.
Comment calculer le HLB d’un mélange ?
Utilisez une moyenne pondérée par la masse : HLB(mélange) = (fraction A x HLB A) + (fraction B x HLB B). Pour trouver la proportion de l’émulsifiant à HLB élevé nécessaire pour atteindre une cible, réarrangez en fraction(élevé) = (HLB cible – HLB faible) / (HLB élevé – HLB faible). Exemple : pour atteindre un HLB de 11,4 avec le Polysorbate 80 (15,0) et le monooléate de sorbitane (4,3), fraction(élevé) = (11,4 – 4,3) / (15,0 – 4,3) = 0,66, soit 66 % de Polysorbate 80 et 34 % de monooléate de sorbitane.
Quelle est la différence entre le HLB du polysorbate et celui du sorbitane ?
Les polysorbates sont des esters de sorbitane éthoxylés, et la chaîne polyéthylène glycol les rend fortement hydrophiles, ils portent donc des valeurs HLB élevées (le Polysorbate 80 est de 15,0, le Polysorbate 20 de 16,7) et agissent comme émulsifiants H/E. Les esters de sorbitane de base n’ont pas cette chaîne, ils sont donc lipophiles avec des valeurs HLB faibles (monooléate de sorbitane 4,3, monostéarate de sorbitane 4,7) et agissent comme émulsifiants E/H ou partenaires à faible HLB. Comme ils partagent un squelette, un polysorbate et un ester de sorbitane forment une paire haut/bas naturelle.
De quel HLB ai-je besoin pour une émulsion huile-dans-eau par rapport à une émulsion eau-dans-huile ?
Pour l’huile-dans-eau (H/E), où les gouttelettes d’huile se trouvent dans une phase aqueuse continue, vous avez besoin d’un système émulsifiant à HLB élevé, généralement de 8 à 18 et le plus souvent de 8 à 16. Pour l’eau-dans-huile (E/H), où les gouttelettes d’eau se trouvent dans une phase huileuse continue, vous avez besoin d’un système à faible HLB, généralement de 3 à 6. Décidez d’abord du type d’émulsion car il détermine quelle moitié de l’échelle vous sélectionnez.
La correspondance du HLB garantit-elle une émulsion stable ?
Non. Le HLB restreint les émulsifiants candidats à la bonne région et constitue le meilleur criblage sur papier disponible, mais il ignore la température, les électrolytes, le rapport des phases, le cisaillement de traitement et l’adéquation entre la queue de l’émulsifiant et l’huile spécifique. Deux émulsifiants ayant le même HLB peuvent se comporter différemment. Considérez le HLB calculé comme le centre de votre recherche expérimentale et confirmez la stabilité sur votre propre système.
Note éditoriale. Cet article constitue une orientation technique générale destinée aux professionnels de l’industrie et de la formulation. Les valeurs HLB sont des chiffres publiés bien établis et sont indiquées ici comme aide à la sélection ; le HLB exact requis d’une phase huileuse, le rapport optimal d’émulsifiant et la stabilité finale de l’émulsion dépendent de vos ingrédients spécifiques, du rapport de phases, de la température et du procédé, et doivent être validés sur votre propre système. Le Certificat d’Analyse (CoA) régit le grade que vous achetez. Les polysorbates et les esters de sorbitane sont des tensioactifs non ioniques semi-synthétiques ; consultez la Fiche de Données de Sécurité (FDS) en vigueur et adoptez les précautions de manipulation appropriées à votre application. Les produits sont vendus uniquement pour un usage industriel et professionnel. Aucun élément ici ne constitue une allégation médicale, sanitaire, de sécurité ou d’efficacité. RawSource ne donne aucune garantie, expresse ou implicite, et décline toute responsabilité quant à l’utilisation de ces informations.