HLB-System: Emulgator-Auswahl nach erforderlichem HLB

Ihre Ölphase und Ihre Wasserphase bleiben nicht vermischt. Sie haben eine Charge gefahren, sie sah nach dem Mischer gut aus, und am nächsten Morgen war eine klare Ölschicht nach oben gestiegen oder ein Cremering hatte sich an der Oberfläche gebildet. Der Reflex ist, mehr Emulgator hinzuzufügen oder zu dem zu wechseln, was beim letzten Produkt funktioniert hat. Es gibt einen schnelleren Weg, das Feld einzugrenzen, bevor Sie die Laborbank berühren: das HLB-System verwandelt „welcher Emulgator?” in ein Rechenproblem, das Sie auf Papier lösen können.

Die Kurzfassung: HLB (hydrophil-lipophile Balance) ist eine Zahl von 0 bis 20, die beschreibt, wie wasserliebend versus ölliebend ein nichtionisches Tensid ist. Niedriges HLB (3-6) eignet sich für Wasser-in-Öl (W/O) Emulsionen; hohes HLB (8-18) eignet sich für Öl-in-Wasser (O/W) Emulsionen; Werte um 7-9 sind Netzmittel und 15-18 sind Lösungsvermittler. Separat hat jedes Öl einen erforderlichen HLB-Wert, den HLB-Wert, den ein Emulgatorsystem benötigt, um es zu emulgieren. Sie wählen einen Emulgator (oder mischen zwei), dessen HLB dem erforderlichen HLB Ihrer Ölphase entspricht. Um einen Zielwert zu treffen, mischen Sie einen Emulgator mit hohem HLB wie Polysorbat 80 (HLB 15,0) mit einem mit niedrigem HLB wie Sorbitanmonooleat (HLB 4,3) unter Verwendung eines gewichteten Durchschnitts. HLB grenzt das Feld auf wenige Kandidaten ein; es garantiert keine stabile Emulsion, daher bestätigen Sie diese weiterhin an Ihrem eigenen System.

Was HLB eigentlich ist

HLB ist eine einzelne Zahl von etwa 0 bis 20, die das Gleichgewicht zwischen dem wasserliebenden (hydrophilen) Kopf und dem ölliebenden (lipophilen) Schwanz eines Tensids bewertet. William C. Griffin führte das Konzept 1949 bei der Atlas Powder Company speziell für nichtionische Tenside wie die Sorbitanester und ihre ethoxylierten Polysorbat-Gegenstücke ein. Ein Wert nahe 0 bedeutet, dass das Molekül fast vollständig öllöslich ist. Ein Wert nahe 20 bedeutet, dass es fast vollständig wasserlöslich ist. Der Mittelpunkt nahe 10 ist der Übergang.

Griffins Methode berechnet HLB aus der Zusammensetzung: grob der Massenanteil des Moleküls, der hydrophil ist, skaliert auf 0-20 (bei einem Hydrophil, das nur aus Ethylenoxid besteht, gilt HLB ≈ Gewichtsprozent Ethylenoxid ÷ 5). Sie müssen diese Berechnung nicht durchführen, denn die Werte für Standard-Emulgatoren sind veröffentlicht und über die Lieferanten hinweg konsistent. Was im Labor zählt, ist, dass HLB additivist: Mischen Sie zwei Emulgatoren, und die Mischung verhält sich in erster Näherung wie ein einzelner Emulgator beim gewichteten mittleren HLB. Diese Additivität ist die Eigenschaft, die das gesamte System funktionieren lässt.

Was die HLB-Bereiche bedeuten

Die Zahl sagt Ihnen, wofür ein Tensid gut ist. Diese Bänder sind die praktische Karte der Skala:

Die einzelne nützlichste Trennung liegt bei 10: darunter bevorzugt der Emulgator die Ölphase und stabilisiert in Öl dispergierte Wassertröpfchen; darüber bevorzugt der Emulgator Wasser und stabilisiert in Wasser dispergierte Öltröpfchen. Die erste Entscheidung ist also der gewünschte Emulsionstyp. Eine Hautlotion, ein Metallbearbeitungskühlmittel und die meisten Agrochemikalien-Sprays sind O/W und erfordern Emulgatoren mit hohem HLB (8-16). Eine schwere Schutzcreme oder eine Wasser-in-Öl-Bohrflüssigkeit ist W/O und erfordert Emulgatoren mit niedrigem HLB (3-6). Entscheiden Sie zuerst den Emulsionstyp; er legt die Hälfte der Skala fest, in der Sie einkaufen.

HLB-Werte gängiger Polysorbat- und Sorbitan-Qualitäten

Die Familien der Polysorbate (ethoxylierte Sorbitanester) und Sorbitanester sind das nichtionische Arbeitspferd-Paar für die HLB-Formulierung, weil sie die Skala überspannen und sauber mischen. Die folgenden Werte sind die standardmäßig veröffentlichten Zahlen, die branchenweit verwendet werden:

Zwei Muster lassen sich aus der Tabelle ablesen. Erstens: Die Ethoxylierung eines Sorbitanesters (das Hinzufügen der Polyethylenglycolkette, die ein Sorbitan in ein Polysorbat verwandelt) erhöht den HLB-Wert um etwa 10 Punkte, was genau der Grund ist, warum diese beiden Familien so gut zusammenpassen: einer hoch, einer niedrig, gleiches Grundgerüst. Zweitens: Das Hinzufügen von Fettsäureketten senkt den HLB-Wert stark, sodass ein Triester wie Sorbitantristearat (2,1) weit unter dem Monoester Sorbitanmonostearat (4,7) liegt. Wenn Sie einen Partner mit hohem HLB-Wert benötigen, greifen Sie zu einem Polysorbat; für den Partner mit niedrigem HLB-Wert hält ein Sorbitanester derselben oder einer ergänzenden Fettsäure die Chemie konsistent.

Erforderlicher HLB-Wert: Jedes Öl hat eine Zielzahl

Hier ist das Konzept, das alles zusammenbringt. Jedes Öl, Wachs oder jede Ölphasenkomponente hat einen erforderlichen HLB-Wert (manchmal als RHLB geschrieben): der HLB-Wert, den ein Emulgatorsystem benötigt, um es zu einer stabilen Emulsion zu emulgieren. Stimmen Sie den HLB-Wert des Emulgatorsystems auf den erforderlichen HLB-Wert des Öls ab, und Sie befinden sich in dem Bereich, in dem eine stabile Emulsion erreichbar ist. Verfehlen Sie ihn um wenige Punkte, verschmelzen die Tröpfchen und die Charge trennt sich. Der erforderliche HLB-Wert wird experimentell bestimmt (Sie emulgieren das Öl mit einer Reihe von Mischungen bei gestuften HLB-Werten und finden heraus, welche die dichteste, stabilste Emulsion ergibt), und die veröffentlichten Werte variieren je nach Quelle ein wenig, daher betrachten Sie diese als gut etablierte Ausgangspunkte und nicht als exakte Konstanten:

Eine reale Ölphase besteht selten aus nur einem Bestandteil, daher ist ihr erforderlicher HLB-Wert der gewichtete Durchschnitt der erforderlichen HLB-Werte ihrer Komponenten, gewichtet nach dem Ölphasengewicht. Das ergibt eine einzige Zielzahl, auf die Sie die Emulgatormischung ausrichten. Empfehlung: Wenn eine Komponente in veröffentlichten Tabellen fehlt, führen Sie eine schnelle HLB-Leiter durch (Mischungen von etwa 8 bis 16 in Schritten von 1–2) und lesen Sie die Stabilität am Ergebnis ab, anstatt den Wert zu raten.

Die Mischungsberechnung, durchgerechnet

Zwei Emulgatoren übertreffen fast immer einen einzigen, weil ein Tensid mit hohem HLB-Wert und eines mit niedrigem HLB-Wert sich zu gegenüberliegenden Seiten der Öl-Wasser-Grenzfläche verteilen und diese dichter packen als jedes allein. Die Rechnung besteht aus zwei kurzen Schritten.

Schritt 1: Bestimmen Sie den erforderlichen HLB-Wert der Ölphase. Angenommen, eine O/W-Lotion hat eine Ölphase, die, bezogen auf das Gesamtformelgewicht, aus 15 % leichtem Mineralöl (erforderlicher HLB-Wert 10) und 5 % Cetylalkohol (erforderlicher HLB-Wert 15,5) besteht. Innerhalb der 20%igen Ölphase macht Mineralöl 0,75 des Öls und Cetylalkohol 0,25 aus. Bilden Sie den gewichteten Durchschnitt ihrer erforderlichen HLB-Werte:

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

Schritt 2: Mischen Sie zwei Emulgatoren auf diesen Zielwert. Wählen Sie einen Emulgator mit hohem und einen mit niedrigem HLB-Wert, die 11,4 einschließen. Polysorbat 80 (HLB 15,0) und Sorbitanmonooleat (HLB 4,3) schließen ihn gut ein. Der Anteil des Emulgators mit hohem HLB-Wert in der Mischung beträgt:

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

Die Emulgatormischung besteht also aus etwa 66 % Polysorbat 80 und 34 % Sorbitanmonooleat. Überprüfen Sie es mit dem gewichteten Durchschnitt: (0,66 x 15,0) + (0,34 x 4,3) = 9,9 + 1,5 = 11,4. Der HLB-Wert der Mischung trifft genau auf den erforderlichen HLB-Wert der Ölphase.

Schritt 3: Legen Sie die Gesamtemulgatormenge fest. Der HLB-Wert sagt Ihnen das *Verhältnis*, nicht die *Menge*. Ein üblicher Ausgangsversuch ist eine Gesamtemulgatormenge von etwa einem Viertel des Ölphasengewichts, was hier (20%ige Ölphase) rund 5 % Gesamtemulgator bedeutet, aufgeteilt im Verhältnis 66/34: etwa 3,3 % Polysorbat 80 und 1,7 % Sorbitanmonooleat. Das ist ein Ausgangspunkt zur Optimierung, keine endgültige Antwort; passen Sie die Gesamtmenge je nach Stabilität und Gefühl nach oben oder unten an.

Ein wiederholbarer Auswahl-Arbeitsablauf

1. Wählen Sie den Emulsionstyp. O/W oder W/O? Dies legt fest, ob Sie ein System mit hohem HLB-Wert (8–16) oder ein System mit niedrigem HLB-Wert (3–6) benötigen. 2. Berechnen Sie den erforderlichen HLB-Wert der Ölphase als den gewichteten durchschnittlichen erforderlichen HLB-Wert jeder Ölphasenkomponente. 3. Wählen Sie ein Emulgatorpaar mit hohem/niedrigem Wert das den Zielwert einschließt, idealerweise aus einer abgestimmten Chemiefamilie (ein Polysorbat plus ein Sorbitanester). 4. Lösen Sie das Mischungsverhältnis mit der obigen Anteilsformel und überprüfen Sie es anschließend mit dem gewichteten Durchschnitt. 5. Legen Sie eine Versuchs-Gesamtmenge fest (ein Viertel des Ölphasengewichts ist ein vernünftiger erster Ansatz) und teilen Sie sie nach dem Verhältnis auf. 6. Stellen Sie es her und testen Sie es dann. Führen Sie eine HLB-Leiter von einigen Punkten um Ihren Zielwert und eine beschleunigte Stabilitätsprüfung durch, denn der berechnete Wert ist das Zentrum Ihrer Suche, nicht die Ziellinie. Für die Fehlermuster, auf die Sie achten, siehe warum sich Emulsionen trennen.

Wo HLB aufhört und was es nicht sagen kann

HLB ist ein Ausgangsleitfaden, keine Garantie. Es ist eine Eigenschaft, die allein aus der Struktur des Tensids stammt, und ignoriert daher alles andere, was eine reale Emulsion steuert: Temperatur, Elektrolytgehalt, das Phasenverhältnis, die Verarbeitungsscherung und die molekulare Passung zwischen dem Schwanz des Emulgators und dem spezifischen Öl. Zwei Emulgatoren können denselben HLB-Wert von 12 haben und sich sehr unterschiedlich verhalten, weil einer einen Schwanz hat, der zu Ihrem Öl passt, und der andere nicht. HLB behandelt auch ionische Tenside nicht gut (sein sauberes additives Verhalten ist eine nichtionische Angelegenheit), und der optimale HLB für ein bestimmtes Öl verschiebt sich mit der Temperatur, weshalb der verwandte PIT-Ansatz (Phaseninversionstemperatur) für temperaturempfindliche Systeme existiert. Der ehrliche Kompromiss: HLB reduziert Ihre Kandidatenliste an einem Nachmittag am Schreibtisch von Dutzenden auf eine Handvoll, aber die endgültige Wahl wird immer noch am Labortisch verdient. Nutzen Sie es, um zu entscheiden, was zuerst getestet wird, nicht was ausgeliefert wird.

Beschaffung von Polysorbat- und Sorbitan-Emulgatoren

RawSource liefert das komplette nichtionische Emulgatorpaar für die HLB-Formulierung: Polysorbate mit hohem HLB (Polysorbat 20, Polysorbat 40, Polysorbat 60, Polysorbat 80, Polysorbat 85) und Sorbitanester mit niedrigem HLB (Sorbitanlaurat, Sorbitanisostearat, Sorbitanmonostearat, Sorbitanmonooleat, Sorbitantristearat) für industrielle Fertigung und Formulierungskunden, in Fässern, IBCs und als Massengut, mit Analysenzertifikat (CoA). Nennen Sie uns Ihre Ölphase und Ihren Ziel-HLB und fordern Sie Muster eines Hoch-/Niedrig-Paares an, um Ihre eigene HLB-Reihe zu testen.

Häufig gestellte Fragen

Was ist HLB (hydrophil-lipophiles Gleichgewicht)?

HLB ist eine Zahl von etwa 0 bis 20, die bewertet, wie wasserliebend im Vergleich zu ölliebend ein nichtionisches Tensid ist, basierend auf dem Gleichgewicht zwischen seinem hydrophilen Kopf und lipophilen Schwanz. Es wurde 1949 von William Griffin eingeführt. Niedrige Werte (gegen 0) sind öllöslich; hohe Werte (gegen 20) sind wasserlöslich; der Übergang liegt bei etwa 10.

Was ist der erforderliche HLB?

Der erforderliche HLB ist der HLB-Wert, den ein Emulgatorsystem benötigt, um ein bestimmtes Öl zu einer stabilen Emulsion zu emulgieren. Jedes Öl, Wachs oder jeder Ölphasenbestandteil hat seinen eigenen erforderlichen HLB (zum Beispiel liegt leichtes Mineralöl bei etwa 10 und Bienenwachs bei etwa 9-11 für O/W). Sie passen den HLB der Emulgatormischung an den erforderlichen HLB der Ölphase an. Er wird experimentell bestimmt, und die veröffentlichten Werte variieren geringfügig zwischen den Quellen.

Wie berechne ich den HLB einer Mischung?

Verwenden Sie einen gewichtsgewichteten Durchschnitt: HLB(Mischung) = (Anteil A x HLB A) + (Anteil B x HLB B). Um den Anteil des Emulgators mit hohem HLB zu ermitteln, der benötigt wird, um ein Ziel zu erreichen, stellen Sie um zu Anteil(hoch) = (Ziel-HLB – niedriger HLB) / (hoher HLB – niedriger HLB). Beispiel: Um HLB 11,4 mit Polysorbat 80 (15,0) und Sorbitanmonooleat (4,3) zu erreichen, Anteil(hoch) = (11,4 – 4,3) / (15,0 – 4,3) = 0,66, also 66% Polysorbat 80 und 34% Sorbitanmonooleat.

Was ist der Unterschied zwischen dem HLB von Polysorbat und Sorbitan?

Polysorbate sind ethoxylierte Sorbitanester, und die Polyethylenglycolkette macht sie stark hydrophil, sodass sie hohe HLB-Werte aufweisen (Polysorbat 80 ist 15,0, Polysorbat 20 ist 16,7) und als O/W-Emulgatoren wirken. Den Basis-Sorbitanestern fehlt diese Kette, daher sind sie lipophil mit niedrigen HLB-Werten (Sorbitanmonooleat 4,3, Sorbitanmonostearat 4,7) und wirken als W/O-Emulgatoren oder Niedrig-HLB-Partner. Da sie ein gemeinsames Grundgerüst haben, bilden ein Polysorbat und ein Sorbitanester ein natürliches Hoch-/Niedrig-Paar.

Welchen HLB benötige ich für eine Öl-in-Wasser- gegenüber einer Wasser-in-Öl-Emulsion?

Für Öl-in-Wasser (O/W), bei der Öltröpfchen in einer kontinuierlichen Wasserphase liegen, benötigen Sie ein Emulgatorsystem mit hohem HLB, typischerweise 8-18 und meist 8-16. Für Wasser-in-Öl (W/O), bei der Wassertröpfchen in einer kontinuierlichen Ölphase liegen, benötigen Sie ein System mit niedrigem HLB, typischerweise 3-6. Entscheiden Sie zuerst den Emulsionstyp, da dieser festlegt, aus welcher Hälfte der Skala Sie auswählen.

Garantiert die Anpassung des HLB eine stabile Emulsion?

Nein. HLB grenzt die in Frage kommenden Emulgatoren auf den richtigen Bereich ein und ist die beste rein theoretische Vorauswahl, die verfügbar ist, aber es ignoriert Temperatur, Elektrolyte, Phasenverhältnis, Verarbeitungsscherung und wie gut der Schwanz des Emulgators zum spezifischen Öl passt. Zwei Emulgatoren mit demselben HLB können sich unterschiedlich verhalten. Betrachten Sie den berechneten HLB als Mittelpunkt Ihrer experimentellen Suche und bestätigen Sie die Stabilität an Ihrem eigenen System.

Redaktioneller Hinweis. Dieser Artikel bietet allgemeine technische Hinweise für Fachleute aus Industrie und Formulierung. HLB-Werte sind gut etablierte, veröffentlichte Kennzahlen und werden hier als Auswahlhilfe aufgeführt; der exakt erforderliche HLB-Wert einer Ölphase, das optimale Emulgatorverhältnis und die endgültige Emulsionsstabilität hängen von Ihren spezifischen Inhaltsstoffen, dem Phasenverhältnis, der Temperatur und der Verarbeitung ab und müssen an Ihrem eigenen System validiert werden. Das Analysenzertifikat (CoA) ist maßgeblich für die von Ihnen erworbene Qualität. Polysorbate und Sorbitanester sind halbsynthetische nichtionische Tenside; prüfen Sie das aktuelle Sicherheitsdatenblatt (SDB) und wenden Sie eine geeignete Handhabung für Ihre Anwendung an. Die Produkte werden ausschließlich für den industriellen und professionellen Gebrauch verkauft. Nichts hierin stellt eine medizinische, gesundheitsbezogene, sicherheitsbezogene oder Wirksamkeitsaussage dar. RawSource übernimmt keine ausdrückliche oder stillschweigende Gewährleistung und keine Haftung für die Nutzung dieser Informationen.