HLBシステム｜必要HLBからの乳化剤選定法

油相と水相が混ざったままにならない。バッチを製造し、ミキサーから出したときは問題なさそうに見えたのに、翌朝には透明な油の層が上部に浮いていたり、表面にクリーム状のリングが形成されていたりする。反射的に乳化剤を追加したり、前回の製品でうまくいったものに切り替えたりしたくなる。ラボの作業台に触れる前に候補を絞り込む、より速い方法がある。それが HLBシステム は、「どの乳化剤を使うか?」という問いを、紙の上で解ける算数の問題に変える。

簡単に言うと： HLB（親水親油バランス）は、非イオン性界面活性剤がどれだけ水になじみやすいか、油になじみやすいかを表す0～20の数値である。低HLB（3～6）は 油中水型（W/O） エマルションに適しており、高HLB（8～18）は 水中油型（O/W） エマルションに適している。7～9付近の値は湿潤剤、15～18は可溶化剤である。さらに、各油には 要求HLB、つまり乳化剤システムがそれを乳化するために必要なHLBがある。油相の要求HLBに一致するHLBを持つ乳化剤を選ぶ（または2種類をブレンドする）。目標値に合わせるには、高HLBの乳化剤である ポリソルベート80 （HLB 15.0）を、低HLBの ソルビタンモノオレイン酸 （HLB 4.3）と加重平均を用いてブレンドする。HLBは候補を数種類に絞り込むが、安定したエマルションを保証するものではないため、自分のシステムで確認する必要がある。

HLBとは実際に何か

HLBは、界面活性剤の水になじむ（親水性）頭部と油になじむ（親油性）尾部のバランスを、おおよそ0から20で評価する単一の数値である。William C. Griffinは1949年にAtlas Powder Companyで、ソルビタンエステルやそのエトキシ化されたポリソルベートといった非イオン性界面活性剤専用にこの概念を導入した。0に近い値は、分子がほぼ完全に油溶性であることを意味する。20に近い値は、ほぼ完全に水溶性であることを意味する。10付近の中間点が転換点である。

Griffinの方法は組成からHLBを計算する。おおよそ分子の親水性部分の質量分率を0～20にスケーリングしたものである（エチレンオキシドのみの親水基の場合、HLB ≈ エチレンオキシドの重量パーセント ÷ 5）。標準的な乳化剤の値は公表されており、サプライヤー間で一貫しているため、この計算を実行する必要はない。ラボで重要なのは、HLBが 加算的であることだ。2種類の乳化剤をブレンドすると、その混合物は第一近似として、重量平均されたHLBを持つ単一の乳化剤のように振る舞う。この加算性こそが、システム全体を機能させる特性である。

HLB範囲の意味

この数値は界面活性剤が何に適しているかを示す。これらの帯域は、スケールの実用的な地図である。

最も有用な区切りは10である。それ以下では乳化剤は油相を好み、油中に分散した水滴を安定させる。それ以上では乳化剤は水を好み、水中に分散した油滴を安定させる。したがって最初の決定は、望むエマルションの種類である。スキンローション、金属加工用クーラント、そしてほとんどの農薬スプレーはO/W型で、高HLBの乳化剤（8～16）を必要とする。重厚な保護クリームや油中水型の掘削流体はW/O型で、低HLBの乳化剤（3～6）を必要とする。まずエマルションの種類を決める。それによって、どちら側のスケールで選ぶかが決まる。

一般的なポリソルベートおよびソルビタングレードのHLB値

ポリソルベート（エトキシ化ソルビタンエステル）とソルビタンエステルの両系統は、スケール全体をカバーし、きれいにブレンドできるため、HLB配合の主力となる非イオン性のペアである。以下の値は、業界全体で使用される標準的な公表数値である。

表から読み取るべきパターンは2つある。第一に、ソルビタンエステルをエトキシ化すること（ソルビタンをポリソルベートに変えるポリエチレングリコール鎖を加えること）でHLBが約10ポイント跳ね上がる。これこそが、この2つのファミリーがうまく組み合わさる理由である。片方は高く、片方は低く、同じ骨格を持つ。第二に、脂肪酸鎖を加えるとHLBが急激に下がるため、ソルビタントリステアレート（2.1）のようなトリエステルは、モノエステルであるソルビタンモノステアレート（4.7）よりはるかに低い位置にある。高HLBのパートナーが必要な場合はポリソルベートを、低HLBのパートナーには同じ、あるいは補完的な脂肪酸のソルビタンエステルを使えば、化学的な一貫性が保たれる。

必要HLB：すべての油には目標値がある

これらを結びつける概念がこれだ。各油、ワックス、または油相成分には 要求HLB （RHLBと書かれることもある）：それを安定なエマルションに乳化するために乳化剤システムが必要とするHLB値。乳化剤システムのHLBを油の必要HLBに一致させれば、安定なエマルションが達成可能なゾーンに入る。数ポイント外すと、液滴が合一しバッチが分離する。必要HLBは実験的に決定され（段階的なHLB値の一連のブレンドで油を乳化し、どれが最も緻密で安定したエマルションを与えるかを見つける）、公表値は情報源によって少し異なるため、これらを正確な定数ではなく、十分に確立された出発点として扱うこと：

実際の油相が単一成分であることはまれなので、その必要HLBは、油相重量による各成分の必要HLBの加重平均である。これにより、乳化剤ブレンドを狙う1つの目標値が得られる。推奨：公表された表に成分が欠けている場合、簡単なHLBラダー（約8から16まで1〜2刻みのブレンド）を実行し、値を推測する代わりに結果から安定性を読み取ること。

ブレンド計算、実演

2つの乳化剤はほとんど常に1つより優れている。なぜなら高HLBと低HLBの界面活性剤が油水界面の反対側に分配され、単独のいずれよりも緊密に界面をパッキングするからだ。計算は2つの短いステップだ。

ステップ1：油相の必要HLBを求める。 O/Wローションの油相が、全処方重量に対して軽質鉱油15%（必要HLB 10）とセタノール5%（必要HLB 15.5）だとする。20%の油相の中で、鉱油は油の0.75、セタノールは0.25である。それらの必要HLBを加重平均する：

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

ステップ2：その目標値に2つの乳化剤をブレンドする。 11.4を挟む高HLBと低HLBの乳化剤を選ぶ。ポリソルベート80（HLB 15.0）とソルビタンモノオレイン酸（HLB 4.3）がうまく挟む。ブレンド中の高HLB乳化剤の割合は：

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

したがって乳化剤ブレンドは約 ポリソルベート80が66%、ソルビタンモノオレイン酸が34%。加重平均で確認する：(0.66 x 15.0) + (0.34 x 4.3) = 9.9 + 1.5 = 11.4。ブレンドHLBは油相の必要HLBに一致する。

ステップ3：総乳化剤配合量を設定する。 HLBは*比率*を示すのであって、*量*を示すのではない。一般的な出発試験は、油相重量の約4分の1に近い総乳化剤配合量であり、ここでは（20%の油相）総乳化剤約5%を意味し、66/34の比率で分割する：ポリソルベート80が約3.3%、ソルビタンモノオレイン酸が1.7%。これは最適化のための出発点であって、最終的な答えではない。安定性と感触に応じて総配合量を上下に調整すること。

繰り返し使える選択ワークフロー

1. エマルションのタイプを選ぶ。 O/WかW/Oか？これによって高HLBシステム（8〜16）が必要か、低HLBシステム（3〜6）が必要かが決まる。2. 油相の必要HLBを計算する すべての油相成分の重量加重平均必要HLBとして。3. 高/低乳化剤ペアを選ぶ 目標値を挟むもので、理想的には一致した化学ファミリー（ポリソルベートとソルビタンエステル）から。4. ブレンド比率を解く 上記の割合式で、その後加重平均で再確認する。5. 試験用の総配合量を設定する （油相重量の4分の1が妥当な最初の見積もり）そして比率で分割する。6. 作って、それからテストする。 目標値の周辺の数ポイントのHLBラダーと加速安定性チェックを実行する。なぜなら計算された値は探索の中心であって、ゴールラインではないからだ。注視している失敗モードについては、以下を参照 なぜエマルションが分離するのか.

HLBが止まるところ、そしてそれが教えてくれないこと

HLBは出発点となる指針であって、保証ではありません。それは界面活性剤の構造のみに由来する特性であるため、実際のエマルションを制御する他のすべての要素、すなわち温度、電解質含有量、相比、加工時のせん断、乳化剤の尾部と特定の油との分子的適合性を無視しています。2種類の乳化剤が同じHLB 12を持ちながら、大きく異なる性能を示すことがあります。それは一方が油に適合する尾部を持ち、もう一方が持たないためです。HLBはイオン性界面活性剤にもうまく対応できず(その明快な加算性は非イオン性の話です)、特定の油に対する最適HLBは温度によって変化します。これが、温度に敏感な系のために関連するPIT(相転移温度)アプローチが存在する理由です。率直なトレードオフとして、HLBは机上で午後のうちに候補リストを数十種類から数種類まで絞り込めますが、最終的な選択はやはりベンチで得られるものです。まず何を試すべきかを選ぶために使い、何を出荷するかを選ぶためには使わないでください。

ポリソルベートおよびソルビタン系乳化剤の調達

RawSourceは、HLB配合のための非イオン性乳化剤ペア一式を供給します。高HLBのポリソルベート(ポリソルベート20, ポリソルベート40, ポリソルベート60, ポリソルベート80, ポリソルベート85)および低HLBのソルビタンエステル(ソルビタンラウレート, ソルビタンイソステアレート, ソルビタンモノステアレート, ソルビタンモノオレイン酸, ソルビタントリステアレート)を 工業製造 および配合のお客様向けに、ドラム缶、IBC、バルクで、分析証明書(CoA)付きで提供します。油相と目標HLBをお知らせいただき、ご自身のHLBラダーを実施するために高/低ペアのサンプルをご請求ください。

よくあるご質問

HLB(親水性親油性バランス)とは何ですか?

HLBは、非イオン性界面活性剤が親水性の頭部と親油性の尾部のバランスに基づいて、どれだけ水を好むか対油を好むかを評価する、およそ0から20までの数値です。1949年にWilliam Griffinによって導入されました。低い値(0に近い)は油溶性、高い値(20に近い)は水溶性で、境界は10付近です。

必要HLBとは何ですか?

必要HLBとは、特定の油を安定したエマルションへと乳化するために乳化剤系が必要とするHLB値です。各油、ワックス、または油相成分にはそれぞれ固有の必要HLBがあります(例えば、軽質鉱油はO/Wで約10、蜜蝋は約9〜11です)。乳化剤ブレンドのHLBを油相の必要HLBに合わせます。これは実験的に決定され、公表値は情報源によってわずかに異なります。

ブレンドのHLBはどのように計算しますか?

重量加重平均を使用します:HLB(ブレンド)=(比率A×HLB A)+(比率B×HLB B)。目標値に到達するために必要な高HLB乳化剤の比率を求めるには、比率(高)=(目標HLB − 低HLB)/(高HLB − 低HLB)に変形します。例:ポリソルベート80(15.0)とソルビタンモノオレイン酸(4.3)でHLB 11.4に到達するには、比率(高)=(11.4 − 4.3)/(15.0 − 4.3)= 0.66となり、ポリソルベート80が66%、ソルビタンモノオレイン酸が34%となります。

ポリソルベートとソルビタンのHLBの違いは何ですか?

ポリソルベートはエトキシ化ソルビタンエステルであり、ポリエチレングリコール鎖が強い親水性を与えるため、高いHLB値を持ち(ポリソルベート80は15.0、ポリソルベート20は16.7)、O/W乳化剤として機能します。基となるソルビタンエステルはこの鎖を欠くため、親油性で低いHLB値を持ち(ソルビタンモノオレイン酸4.3、ソルビタンモノステアレート4.7)、W/O乳化剤または低HLBのパートナーとして機能します。両者は骨格を共有するため、ポリソルベートとソルビタンエステルは自然な高/低ペアを構成します。

水中油型と油中水型のエマルションには、それぞれどのHLBが必要ですか?

油滴が連続した水相中に存在する水中油型(O/W)では、高HLBの乳化剤系が必要で、通常8〜18、最も多くは8〜16です。水滴が連続した油相中に存在する油中水型(W/O)では、低HLB系が必要で、通常3〜6です。エマルションの種類は、スケールのどちら半分から選ぶかを決めるため、まず最初に決定してください。

HLBを合わせれば安定したエマルションが保証されますか?

いいえ。HLBは候補乳化剤を適切な範囲に絞り込み、紙上のみで利用できる最良のスクリーニング手段ですが、温度、電解質、相比、加工時のせん断、乳化剤の尾部が特定の油とどれだけ適合するかを無視します。同じHLBを持つ2種類の乳化剤が異なる挙動を示すことがあります。計算されたHLBは実験的探索の中心として扱い、ご自身の系で安定性を確認してください。

編集注記。 本記事は、工業および製剤の専門家向けの一般的な技術ガイダンスです。HLB値は十分に確立された公表値であり、選定の補助としてここに掲載しています。油相に必要な正確なHLB、最適な乳化剤比率、および最終的なエマルションの安定性は、お客様固有の原料、相比、温度、加工条件によって異なり、お客様自身のシステムで検証する必要があります。分析証明書（CoA）が購入するグレードを規定します。ポリソルベートおよびソルビタンエステルは半合成の非イオン界面活性剤です。最新の安全データシート（SDS）を確認し、用途に応じた適切な取り扱いを行ってください。製品は工業用および専門用途にのみ販売されます。本記事の内容は、医療、健康、安全、または有効性に関する主張ではありません。RawSourceは明示的または黙示的を問わずいかなる保証も行わず、本情報の使用について一切の責任を負いません。