Su fase oleosa y su fase acuosa no permanecerán mezcladas. Preparó un lote, se veía bien al salir del mezclador, y a la mañana siguiente una capa clara de aceite había flotado hacia la parte superior o se había formado un anillo de crema en la superficie. El reflejo es agregar más emulsionante, o cambiar a lo que haya funcionado en el último producto. Hay una forma más rápida de acotar el campo antes de tocar la mesa de laboratorio: el sistema HLB convierte “¿cuál emulsionante?” en un problema aritmético que puede resolver en papel.
La versión corta: El HLB (balance hidrófilo-lipófilo) es un número de 0 a 20 que describe cuánto le gusta el agua frente al aceite a un tensioactivo no iónico. Un HLB bajo (3-6) es adecuado para emulsiones agua en aceite (W/O) ; un HLB alto (8-18) es adecuado para emulsiones aceite en agua (O/W) ; los valores alrededor de 7-9 son agentes humectantes y 15-18 son solubilizantes. Por separado, cada aceite tiene un HLB requerido, el HLB que un sistema emulsionante necesita para emulsionarlo. Usted elige un emulsionante (o mezcla dos) cuyo HLB coincida con el HLB requerido de su fase oleosa. Para alcanzar un objetivo, mezcla un emulsionante de HLB alto como Polisorbato 80 (HLB 15.0) con uno de HLB bajo como monooleato de sorbitano (HLB 4.3) usando un promedio ponderado. El HLB acota el campo a unos pocos candidatos; no garantiza una emulsión estable, así que aún debe confirmarlo en su propio sistema.
Qué es realmente el HLB
El HLB es un solo número, de aproximadamente 0 a 20, que califica el balance entre la cabeza afín al agua (hidrófila) de un tensioactivo y su cola afín al aceite (lipófila). William C. Griffin introdujo el concepto en 1949 en la Atlas Powder Company específicamente para tensioactivos no iónicos como los ésteres de sorbitano y sus contrapartes de polisorbato etoxiladas. Un valor cercano a 0 significa que la molécula es casi completamente soluble en aceite. Un valor cercano a 20 significa que es casi completamente soluble en agua. El punto medio cercano a 10 es el punto de cruce.
El método de Griffin calcula el HLB a partir de la composición: aproximadamente la fracción de masa de la molécula que es hidrófila, escalada a 0-20 (para un hidrófilo compuesto solo de óxido de etileno, HLB ≈ porcentaje en peso de óxido de etileno ÷ 5). No necesita realizar ese cálculo, porque los valores para los emulsionantes estándar están publicados y son consistentes entre proveedores. Lo que importa en el laboratorio es que el HLB es aditivo: mezcle dos emulsionantes y la mezcla se comporta, en una primera aproximación, como un solo emulsionante con el HLB promediado por peso. Esa aditividad es la propiedad que hace funcionar todo el sistema.
Qué significan los rangos de HLB
El número le dice para qué es bueno un tensioactivo. Estas bandas son el mapa práctico de la escala:
| Rango de HLB | Función principal | Comportamiento de solubilidad |
|---|---|---|
| 1-3 | Antiespumante | Soluble en aceite |
| 3-6 | Emulsionante agua en aceite (W/O) | Soluble en aceite |
| 7-9 | Agente humectante y dispersante | Dispersa / débilmente soluble en agua |
| 8-18 | Emulsionante aceite en agua (O/W) | Soluble en agua |
| 13-15 | Detergente | Soluble en agua |
| 15-18 | Solubilizante / hidrótropo | Claramente soluble en agua |
La división más útil está en 10: por debajo, el emulsionante prefiere la fase oleosa y estabiliza gotas de agua dispersas en aceite; por encima, el emulsionante prefiere el agua y estabiliza gotas de aceite dispersas en agua. Así que la primera decisión es el tipo de emulsión que desea. Una loción para la piel, un refrigerante para metalurgia y la mayoría de los aerosoles agroquímicos son O/W y requieren emulsionantes de HLB alto (8-16). Una crema protectora densa o un fluido de perforación agua en aceite es W/O y requiere emulsionantes de HLB bajo (3-6). Decida primero el tipo de emulsión; eso establece la mitad de la escala en la que está comprando.
Valores de HLB de grados comunes de polisorbato y sorbitano
Las familias de polisorbato (éster de sorbitano etoxilado) y éster de sorbitano son el par no iónico de referencia para formular con HLB porque abarcan toda la escala y se mezclan limpiamente. Los valores a continuación son las cifras estándar publicadas que se usan en toda la industria:
| Grado (nombre genérico) | Química | HLB | Tiende hacia |
|---|---|---|---|
| Polisorbato 20 | Monolaurato de sorbitano etoxilado | 16.7 | O/W, solubilizante |
| Polisorbato 40 | Monopalmitato de sorbitano etoxilado | 15.6 | O/W |
| Polisorbato 80 | Monooleato de sorbitano etoxilado | 15.0 | O/W |
| Polisorbato 60 | Monoestearato de sorbitano etoxilado | 14.9 | O/W |
| Polisorbato 85 | Trioleato de sorbitano etoxilado | 11.0 | O/W (más bajo), acoplamiento |
| Laurato de sorbitano | Monolaurato de sorbitano | 8.6 | Humectante, coemulsionante O/W de gama baja |
| Isoestearato de sorbitano | Monoisoestearato de sorbitano | 4.7 | W/O |
| Monoestearato de sorbitano | Monoestearato de sorbitano | 4.7 | W/O |
| Monooleato de sorbitano | Monooleato de sorbitano | 4.3 | W/O |
| Triestearato de sorbitano | Triestearato de sorbitano | 2.1 | W/O |
Vale la pena leer dos patrones en la tabla. Primero, etoxilar un éster de sorbitano (agregar la cadena de polietilenglicol que convierte un sorbitano en un polisorbato) eleva el HLB en aproximadamente 10 puntos, que es exactamente por lo que estas dos familias combinan tan bien: uno alto, uno bajo, la misma estructura base. Segundo, agregar colas de ácidos grasos reduce marcadamente el HLB, así que un triéster como el Triestearato de sorbitano (2.1) queda muy por debajo del monoéster Monoestearato de sorbitano (4.7). Cuando necesites un socio de HLB alto, recurre a un polisorbato; para el socio de HLB bajo, un éster de sorbitano del mismo ácido graso o de uno complementario mantiene la química consistente.
HLB requerido: cada aceite tiene un número objetivo
Aquí está el concepto que lo une todo. Cada aceite, cera o componente de la fase oleosa tiene un HLB requerido (a veces escrito RHLB): el valor de HLB que un sistema emulsionante necesita para emulsionarlo en una emulsión estable. Iguala el HLB del sistema emulsionante al HLB requerido del aceite y estarás en la zona donde es posible lograr una emulsión estable. Fállalo por unos pocos puntos y las gotas coalescen y el lote se separa. El HLB requerido se determina experimentalmente (emulsionas el aceite con una serie de mezclas a valores de HLB escalonados y encuentras cuál da la emulsión más compacta y estable), y los valores publicados varían un poco entre fuentes, así que trátalos como puntos de partida bien establecidos y no como constantes exactas:
| Componente de la fase oleosa | HLB requerido típico (para O/W) |
|---|---|
| Vaselina | 7-8 |
| Fluido de silicona (dimeticona) | 5-9 |
| Aceite mineral, ligero | 10 |
| Aceite mineral, pesado | 10-11 |
| Parafina | 10 |
| Cera de abejas | 9-11 |
| ispropyl myristate | 11.5 |
| Aceite de ricino | 14 |
| Alcohol cetílico | 13-15.5 |
| Ácido esteárico | 15-17 |
Una fase oleosa real rara vez es un solo ingrediente, así que su HLB requerido es el promedio ponderado de los HLB requeridos de sus componentes, según el peso de la fase oleosa. Eso te da un número objetivo al que apuntar la mezcla emulsionante. Recomendación: cuando falte un componente en las tablas publicadas, ejecuta una escalera rápida de HLB (mezclas de aproximadamente 8 a 16 en pasos de 1-2) y lee la estabilidad del resultado en vez de adivinar el valor.
El cálculo de la mezcla, resuelto
Dos emulsionantes casi siempre superan a uno, porque un surfactante de HLB alto y uno de HLB bajo se distribuyen en lados opuestos de la interfaz aceite-agua y la empaquetan más ajustadamente que cualquiera de ellos por separado. La matemática son dos pasos cortos.
Paso 1: encuentra el HLB requerido de la fase oleosa. Supongamos que una loción O/W tiene una fase oleosa que es, por peso total de la fórmula, 15% de aceite mineral ligero (HLB requerido 10) y 5% de Alcohol cetílico (HLB requerido 15.5). Dentro de la fase oleosa del 20%, el aceite mineral es 0.75 del aceite y el Alcohol cetílico es 0.25. Promedia ponderadamente sus HLB requeridos:
“ Required HLB (oil phase) = (0.75 x 10) + (0.25 x 15.5) = 7.5 + 3.875 = 11.4 “
Paso 2: mezcla dos emulsionantes para alcanzar ese objetivo. Elige un emulsionante de HLB alto y uno de HLB bajo que enmarquen 11.4. El Polisorbato 80 (HLB 15.0) y el Monooleato de sorbitano (HLB 4.3) lo enmarcan muy bien. La fracción del emulsionante de HLB alto en la mezcla es:
“ fraction(high) = (target HLB - low HLB) / (high HLB - low HLB) = (11.4 - 4.3) / (15.0 - 4.3) = 7.1 / 10.7 = 0.66 “
Así que la mezcla emulsionante es aproximadamente 66% Polisorbato 80 y 34% Monooleato de sorbitano. Verifícalo con el promedio ponderado: (0.66 x 15.0) + (0.34 x 4.3) = 9.9 + 1.5 = 11.4. El HLB de la mezcla coincide con el HLB requerido de la fase oleosa.
Paso 3: establece la carga total de emulsionante. El HLB te indica la *proporción*, no la *cantidad*. Un ensayo inicial común es una carga total de emulsionante cercana a un cuarto del peso de la fase oleosa, que aquí (fase oleosa del 20%) significa aproximadamente 5% de emulsionante total, dividido en la proporción 66/34: cerca de 3.3% de Polisorbato 80 y 1.7% de Monooleato de sorbitano. Ese es un punto de partida para optimizar, no una respuesta final; ajusta la carga total hacia arriba o hacia abajo según la estabilidad y el tacto.
Un flujo de trabajo de selección que puedes repetir
1. Elige el tipo de emulsión. ¿O/W o W/O? Esto define si necesitas un sistema de HLB alto (8-16) o un sistema de HLB bajo (3-6). 2. Calcula el HLB requerido de la fase oleosa como el HLB requerido promediado por peso de cada componente de la fase oleosa. 3. Elige un par de emulsionantes alto/bajo que enmarque el objetivo, idealmente de una familia química compatible (un polisorbato más un éster de sorbitano). 4. Resuelve la proporción de la mezcla con la fórmula de fracción anterior, luego verifica con el promedio ponderado. 5. Establece una carga total de ensayo (un cuarto del peso de la fase oleosa es un primer corte razonable) y divídela según la proporción. 6. Prepárala, luego pruébala. Ejecuta una escalera de HLB de unos pocos puntos alrededor de tu objetivo y una prueba de estabilidad acelerada, porque el valor calculado es el centro de tu búsqueda, no la línea de meta. Para los modos de falla que estás vigilando, consulta por qué se separan las emulsiones.
Dónde se detiene el HLB, y qué no puede decirte
HLB es una guía inicial, no una garantía. Es una propiedad exclusiva de la estructura del tensioactivo, por lo que ignora todo lo demás que controla una emulsión real: temperatura, contenido de electrolitos, la proporción de fases, la cizalla del procesamiento y la compatibilidad molecular entre la cola del emulsionante y el aceite específico. Dos emulsionantes pueden compartir un HLB de 12 y comportarse de forma muy distinta porque uno tiene una cola que coincide con su aceite y el otro no. El HLB tampoco maneja bien los tensioactivos iónicos (su comportamiento aditivo limpio es una historia no iónica), y el HLB óptimo para un aceite dado cambia con la temperatura, razón por la cual existe el enfoque relacionado de PIT (temperatura de inversión de fases) para sistemas sensibles a la temperatura. La disyuntiva honesta: el HLB reduce su lista de candidatos de decenas a unos pocos en una tarde de escritorio, pero la elección final aún se gana en el laboratorio. Úselo para elegir qué probar primero, no qué enviar.
Abastecimiento de emulsionantes de polisorbato y sorbitano
RawSource suministra el par completo de emulsionantes no iónicos para formular con HLB: polisorbatos de alto HLB (Polisorbato 20, Polisorbato 40, Polisorbato 60, Polisorbato 80, Polisorbato 85) y ésteres de sorbitano de bajo HLB (laurato de sorbitano, isoestearato de sorbitano, monoestearato de sorbitano, monooleato de sorbitano, triestearato de sorbitano) para fabricación industrial y clientes de formulación, en tambores, IBC y a granel, con documentación de Certificado de Análisis (CoA). Díganos su fase oleosa y HLB objetivo y solicite muestras de un par alto/bajo para realizar su propia escala de HLB.
Preguntas frecuentes
¿Qué es el HLB (balance hidrofílico-lipofílico)?
El HLB es un número de aproximadamente 0 a 20 que califica cuánto afinidad por el agua versus por el aceite tiene un tensioactivo no iónico, según el balance entre su cabeza hidrofílica y su cola lipofílica. Fue introducido por William Griffin en 1949. Los valores bajos (hacia 0) son solubles en aceite; los valores altos (hacia 20) son solubles en agua; el punto de cruce está cerca de 10.
¿Qué es el HLB requerido?
El HLB requerido es el valor de HLB que un sistema emulsionante necesita para emulsionar un aceite particular en una emulsión estable. Cada aceite, cera o ingrediente de la fase oleosa tiene su propio HLB requerido (por ejemplo, el aceite mineral ligero es de aproximadamente 10 y la cera de abejas de aproximadamente 9-11 para O/W). Usted iguala el HLB de la mezcla emulsionante con el HLB requerido de la fase oleosa. Se determina experimentalmente y los valores publicados varían ligeramente entre fuentes.
¿Cómo calculo el HLB de una mezcla?
Use un promedio ponderado por peso: HLB(mezcla) = (fracción A x HLB A) + (fracción B x HLB B). Para hallar la proporción del emulsionante de alto HLB necesaria para alcanzar un objetivo, reorganice a fracción(alto) = (HLB objetivo – HLB bajo) / (HLB alto – HLB bajo). Ejemplo: para alcanzar HLB 11.4 con Polisorbato 80 (15.0) y monooleato de sorbitano (4.3), fracción(alto) = (11.4 – 4.3) / (15.0 – 4.3) = 0.66, por lo que 66% de Polisorbato 80 y 34% de monooleato de sorbitano.
¿Cuál es la diferencia entre el HLB de polisorbato y de sorbitano?
Los polisorbatos son ésteres de sorbitano etoxilados, y la cadena de polietilenglicol los hace fuertemente hidrofílicos, por lo que tienen valores de HLB altos (el Polisorbato 80 es 15.0, el Polisorbato 20 es 16.7) y actúan como emulsionantes O/W. Los ésteres de sorbitano base carecen de esa cadena, por lo que son lipofílicos con valores de HLB bajos (monooleato de sorbitano 4.3, monoestearato de sorbitano 4.7) y actúan como emulsionantes W/O o socios de bajo HLB. Como comparten una estructura base, un polisorbato y un éster de sorbitano forman un par natural alto/bajo.
¿Qué HLB necesito para una emulsión de aceite en agua versus agua en aceite?
Para aceite en agua (O/W), donde las gotas de aceite se encuentran en una fase continua de agua, necesita un sistema emulsionante de alto HLB, típicamente 8-18 y con mayor frecuencia 8-16. Para agua en aceite (W/O), donde las gotas de agua se encuentran en una fase continua de aceite, necesita un sistema de bajo HLB, típicamente 3-6. Decida primero el tipo de emulsión porque eso determina de qué mitad de la escala selecciona.
¿Igualar el HLB garantiza una emulsión estable?
No. El HLB reduce los emulsionantes candidatos a la región correcta y es el mejor filtro solo en papel disponible, pero ignora la temperatura, los electrolitos, la proporción de fases, la cizalla del procesamiento y qué tan bien coincide la cola del emulsionante con el aceite específico. Dos emulsionantes con el mismo HLB pueden comportarse de forma diferente. Trate el HLB calculado como el centro de su búsqueda experimental y confirme la estabilidad en su propio sistema.
Nota editorial. Este artículo es una guía técnica general para profesionales industriales y de formulación. Los valores HLB son cifras publicadas bien establecidas y se enumeran aquí como una ayuda para la selección; el HLB exacto requerido de una fase oleosa, la proporción óptima de emulsionante y la estabilidad final de la emulsión dependen de sus ingredientes específicos, la proporción de fases, la temperatura y el procesamiento, y deben validarse en su propio sistema. El Certificado de Análisis (CoA) rige el grado que usted compra. Los polisorbatos y ésteres de sorbitano son tensioactivos no iónicos semisintéticos; revise la Hoja de Datos de Seguridad (SDS) vigente y utilice un manejo adecuado para su aplicación. Los productos se venden únicamente para uso industrial y profesional. Nada de lo aquí expuesto constituye una afirmación médica, de salud, seguridad o eficacia. RawSource no ofrece ninguna garantía, expresa o implícita, y no asume ninguna responsabilidad por el uso de esta información.