عدد HLB چیست و چگونه محاسبه می شود؟

عدد HLB یکی از شاخص های مورد استفاده برای ارزیابی رفتار امولسیفایرها و انتخاب اولیه سیستم امولسیفایری در فرمولاسیون است. این عدد نشان می دهد یک امولسیفایر در چه اندازه ای به بخش آب دوست یا چربی دوست تمایل دارد و چگونه می توان از این ویژگی برای بررسی تناسب آن با فاز روغنی استفاده کرد.

در تولید کرم، لوسیون و سایر امولسیون ها، انتخاب امولسیفایر صرفاً بر اساس نام تجاری یا میزان مصرف انجام نمی‌شود. عدد HLB امولسیفایر، HLB مورد نیاز فاز روغنی و نوع امولسیون از جمله عواملی هستند که باید در کنار یکدیگر بررسی شوند. آشنایی با این شاخص همچنین امکان محاسبه HLB ترکیب چند امولسیفایر و مقایسه گزینه های مختلف را فراهم می کند.

در این مقاله، مفهوم عدد HLB، محدوده های رایج آن، روش محاسبه HLB مخلوط امولسیفایرها و نحوه تعیین HLB مورد نیاز یک فاز روغنی بررسی می شود. همچنین با استفاده از محاسبه گر HLB می توان محاسبات اولیه را ساده تر انجام داد؛ هرچند نتیجه محاسبه به تنهایی پایداری امولسیون نهایی را تضمین نمی کند.

عدد HLB چیست و چه مفهومی دارد؟

HLB مخفف عبارت Hydrophilic-Lipophilic Balance و به معنی تعادل آب دوستی و چربی دوستی است. این شاخص برای توصیف نسبی تمایل یک سورفکتانت به بخش آب دوست و بخش چربی دوست ساختار آن به کار می رود و در سیستم های رایج HLB معمولاً با عددی در بازه تقریبی صفر تا 20 بیان می شود. در امولسیفایرهای غیر‌یونی، عدد HLB بالاتر معمولاً نشان دهنده رفتار آب دوست تر و عدد پایین تر نشان دهنده رفتار چربی دوست تر است. به همین دلیل، امولسیفایرهای دارای HLB بالاتر اغلب برای تشکیل امولسیون روغن در آب (O/W) و امولسیفایرهای دارای HLB پایین تر اغلب برای امولسیون آب در روغن (W/O) مناسب ترند.

با این حال، HLB به تنهایی نوع امولسیون یا پایداری آن را تعیین نمی کند. ساختار شیمیایی امولسیفایر، نوع و ترکیب روغن ها، غلظت مصرف و شرایط فرایند نیز بر عملکرد نهایی اثر می گذارند. بنابراین، عدد HLB بیشتر یک معیار اولیه برای مقایسه و غربالگری امولسیفایرها است، نه تضمینی برای عملکرد یکسان مواد با عدد مشابه.

محدوده عدد HLB و کاربردهای آن

عدد HLB به طور معمول در بازه صفر تا ۲۰ بیان می شود. هرچه این عدد در سیستم های رایج HLB بالاتر باشد، رفتار سورفکتانت آب دوست تر و هرچه پایین تر باشد، رفتار آن چربی دوست تر است. این محدوده ها برای ارزیابی اولیه کاربرد امولسیفایرها مفیدند، اما مرزهای قطعی برای تعیین عملکرد مواد نیستند.

نکته فنی: محدوده های جدول هم پوشانی دارند؛ زیرا کاربرد یک سورفکتانت فقط به عدد HLB وابسته نیست. برای مثال، قرار گرفتن عدد HLB یک ماده در محدوده مناسب O/W به این معنی نیست که آن ماده با هر نوع روغن، در هر غلظتی و بدون کمک سایر اجزای فرمولاسیون، امولسیون پایداری ایجاد می کند. در انتخاب امولسیفایر، بهتر است محدوده HLB را در کنار نوع امولسیون، مشخصات فاز روغنی و اطلاعات فنی سازنده بررسی کنید. همچنین دامنه کاربردهای ذکر شده در جدول، به ویژه برای شویندگی، ضدکف و حل کنندگی، تقریبی است و نباید آن را به تمام خانواده های سورفکتانت تعمیم داد.

تفاوت HLB در امولسیون های آب در روغن و روغن در آب

عدد HLB یکی از معیارهای اولیه برای انتخاب امولسیفایر متناسب با نوع امولسیون است. در امولسیون روغن در آب (O/W)، قطرات روغن در فاز پیوسته آبی پراکنده اند؛ در مقابل، در امولسیون آب در روغن (W/O)، قطرات آب در فاز پیوسته روغنی قرار دارند. این تفاوت در ساختار امولسیون، بر نوع امولسیفایر مورد نیاز تأثیر می گذارد.

• امولسیون روغن در آب (O/W): معمولاً از امولسیفایرهای آب دوست تر با HLB بالاتر استفاده می‌شود. این نوع امولسیون در بسیاری از کرم ها و لوسیون های آرایشی و بهداشتی کاربرد دارد.
• امولسیون آب در روغن (W/O): معمولاً امولسیفایرهای چربی دوست تر با HLB پایین تر مناسب ترند. این ساختار در برخی کرم های محافظ و فرمولاسیون‌های آب گریز استفاده می شود.

با این‌حال، انتخاب امولسیفایر را نمی توان فقط به مقایسه HLB با نوع امولسیون محدود کرد. سازگاری امولسیفایر با فاز روغنی، مقدار مصرف، نسبت فازها و روش ساخت نیز اهمیت دارند. برای انتخاب دقیق تر، باید HLB امولسیفایر را با HLB مورد نیاز فاز روغنی مقایسه کرد؛ موضوعی که در بخش بعد توضیح داده می شود.

HLB مورد نیاز روغن چیست؟

HLB مورد نیاز روغن (Required HLB) به مقداری از HLB اشاره دارد که یک سیستم امولسیفایری باید تقریباً داشته باشد تا بتواند برای امولسیون سازی یک روغن یا مخلوط روغنی مشخص، عملکرد مناسبی ارائه دهد. این مقدار به نوع روغن و نوع امولسیون مورد نظر وابسته است؛ بنابراین، یک روغن ممکن است برای تشکیل امولسیون O/W و W/O مقادیر HLB مورد نیاز متفاوتی داشته باشد.

برای مثال، اگر هدف تولید امولسیون O/W باشد، باید مقدار Required HLB روغن یا فاز روغنی را برای همین نوع امولسیون مشخص کرد. سپس می توان ترکیب امولسیفایرهایی را بررسی کرد که HLB مخلوط آنها به مقدار هدف نزدیک باشد. این تطبیق نقطه شروع مناسبی برای طراحی فرمولاسیون است، اما به تنهایی پایداری محصول را تضمین نمی کند.

چرا هر روغن HLB مورد نیاز متفاوتی دارد؟

روغن ها از نظر ساختار شیمیایی، قطبیت، ترکیب اسیدهای چرب و ویژگی های بین سطحی یکسان نیستند. این تفاوت ها بر نحوه برهم کنش آنها با امولسیفایر و توانایی تشکیل و حفظ قطرات پراکنده اثر می گذارند. به همین دلیل، نمی توان یک مقدار HLB ثابت را برای تمام روغن ها در نظر گرفت. در فازهای روغنی چندجزئی نیز هر روغن می تواند سهم متفاوتی در HLB مورد نیاز نهایی داشته باشد. برای برآورد اولیه، گاهی از میانگین وزنی مقادیر Required HLB اجزای روغنی استفاده می شود؛ البته این روش تقریبی است و به در دسترس بودن داده های معتبر و سازگار با نوع امولسیون نیاز دارد.

نحوه محاسبه عدد HLB مخلوط امولسیفایرها

برای تنظیم HLB سیستم امولسیفایری، می توان دو یا چند امولسیفایر با مقادیر HLB متفاوت را با نسبت های وزنی مشخص ترکیب کرد. عدد HLB مخلوط از میانگین وزنی HLB اجزای تشکیل دهنده به دست می آید.

فرمول محاسبه HLB مخلوط

HLB مخلوط = [(وزن امولسیفایر اول × HLB امولسیفایر اول) + (وزن امولسیفایر دوم × HLB امولسیفایر دوم)] ÷ (وزن امولسیفایر اول + وزن امولسیفایر دوم)

برای ترکیب بیش از دو امولسیفایر نیز کافی است حاصل ضرب وزن هر امولسیفایر در عدد HLB آن را محاسبه و مجموع این حاصل ضرب ها را بر مجموع وزن امولسیفایرها تقسیم کنید.

مثال محاسبه HLB با ترکیب دو امولسیفایر

فرض کنید دو امولسیفایر با HLB برابر با ۴ و ۱۲ را با وزن مساوی ترکیب می کنیم؛ برای مثال، ۵ گرم از هر ماده.

محاسبه:

HLB مخلوط = [(۵ × ۴) + (۵ × ۱۲)] ÷ (۵ + ۵)

HLB مخلوط = (۲۰ + ۶۰) ÷ ۱۰ = ۸

بنابراین، عدد HLB محاسباتی این ترکیب برابر با ۸ است.

اگر نسبت وزنی امولسیفایرها تغییر کند، نتیجه نیز متفاوت خواهد بود. برای نمونه، در ترکیب ۲ گرم از امولسیفایر با HLB برابر ۴ و ۱ گرم از امولسیفایر با HLB برابر ۱۲، عدد HLB مخلوط به حدود ۶٫۶۷ می رسد.

نکته فنی: این محاسبه، میانگین وزنی HLB امولسیفایرها را نشان می دهد و به تنهایی تضمین کننده پایداری امولسیون نیست. برای ارزیابی تناسب مخلوط، باید عدد حاصل با HLB مورد نیاز فاز روغنی و نوع امولسیون مقایسه شود و عملکرد فرمولاسیون نیز در آزمون های آزمایشگاهی بررسی شود.

محاسبه HLB مورد نیاز فاز روغنی چند جزئی

در فرمولاسیون هایی که فاز روغنی از چند ماده تشکیل شده است، مقدار HLB موردنیاز را می توان به صورت تقریبی از میانگین وزنی مقادیر Required HLB اجزای روغنی برآورد کرد. در این محاسبه، سهم هر روغن از مجموع فاز روغنی مبنای وزن دهی است؛ نه مقدار امولسیفایر مصرفی.

فرمول محاسبه تقریبی HLB مورد نیاز فاز روغنی:

HLB مورد نیاز مخلوط روغنی = مجموع (درصد وزنی هر روغن در فاز روغنی × HLB مورد نیاز همان روغن) ÷ ۱۰۰

برای مثال، فرض کنید فاز روغنی شامل ۶۰ درصد روغن A با HLB مورد نیاز ۸ و ۴۰ درصد روغن B با HLB مورد نیاز ۱۲ برای تشکیل امولسیون O/W باشد.

محاسبه:

HLB مورد نیاز مخلوط روغنی = [(۶۰ × ۸) + (۴۰ × ۱۲)] ÷ ۱۰۰

HLB مورد نیاز مخلوط روغنی = (۴۸۰ + ۴۸۰) ÷ ۱۰۰ = ۹٫۶

بنابراین، HLB مورد نیاز این فاز روغنی به صورت تقریبی ۹٫۶ برآورد می شود. در مرحله بعد، می توان ترکیبی از امولسیفایرها را بررسی کرد که HLB محاسباتی آن به این مقدار نزدیک باشد.

محدودیت محاسبه: این روش زمانی کاربرد دارد که مقادیر Required HLB اجزای روغنی از منابع معتبر و برای نوع امولسیون مورد نظر در دسترس باشند. مقدار حاصل یک تخمین اولیه است؛ زیرا برهم کنش روغن ها، ساختار امولسیفایر، نسبت فازها و شرایط فرایند می توانند بر عملکرد واقعی سیستم اثر بگذارند. بنابراین، مقدار هدف باید با آزمون های فرمولاسیونی تأیید شود.

محاسبه گر آنلاین HLB

با استفاده از محاسبه گر HLB می توان عدد HLB مخلوط امولسیفایرها یا مقدار تقریبی HLB مورد نیاز یک فاز روغنی چند جزئی را محاسبه کرد. برای جلوگیری از اشتباه، این دو محاسبه باید به صورت جداگانه انجام شوند؛ زیرا یکی بر اساس مشخصات امولسیفایرها و دیگری بر اساس ترکیب فاز روغنی انجام می شود.

محاسبه HLB مخلوط امولسیفایرها: در این بخش، عدد HLB هر امولسیفایر و مقدار وزنی آن وارد می شود. محاسبه گر، میانگین وزنی HLB مخلوط را بر اساس نسبت مقادیر وارد شده محاسبه می کند.

محاسبه HLB مورد نیاز فاز روغنی: در این بخش، کاربر سهم وزنی هر روغن در فاز روغنی و مقدار HLB مورد نیاز آن را برای نوع امولسیون مورد نظر وارد می کند. خروجی، برآوردی از HLB مورد نیاز کل فاز روغنی است؛ مشروط بر اینکه اطلاعات ورودی معتبر و مربوط به همان نوع امولسیون باشند.

نتیجه محاسبه می تواند برای انتخاب اولیه نسبت امولسیفایرها مفید باشد، اما جایگزین آزمون عملی فرمولاسیون نیست. پایداری نهایی باید با بررسی عواملی مانند نوع و غلظت امولسیفایر، نسبت فازها، روش ساخت و نتایج آزمون های پایداری ارزیابی شود.

محدودیت های HLB در انتخاب امولسیفایر

عدد HLB ابزار مفیدی برای غربالگری اولیه امولسیفایرها است، اما به تنهایی برای پیش بینی پایداری یا انتخاب قطعی سیستم امولسیفایری کافی نیست. دو امولسیفایر با HLB یکسان ممکن است به دلیل تفاوت در ساختار شیمیایی، نوع گروه های آب دوست و چربی دوست و رفتار بین سطحی، عملکرد متفاوتی در یک فرمولاسیون داشته باشند.

در انتخاب امولسیفایر، علاوه بر تطبیق HLB با مقدار مورد نیاز فاز روغنی، باید نوع امولسیون، درصد فاز روغنی، غلظت امولسیفایر، نوع و ترکیب مواد اولیه، دمای فرایند و روش همگن سازی نیز بررسی شوند. pH و حضور الکترولیت ها یا سایر ترکیبات فرمولاسیون هم ممکن است بر عملکرد برخی سیستم های امولسیفایری اثر بگذارند. بنابراین، مقدار HLB محاسبه شده نقطه شروع مناسبی برای طراحی آزمایش است، نه معیار نهایی پذیرش فرمولاسیون. برای انتخاب مطمئن تر، لازم است نمونه های آزمایشی ساخته شوند و پایداری آنها با آزمون هایی مانند بررسی جدایش فاز، تغییرات ظاهری و ویسکوزیته و آزمون های پایداری در شرایط دمایی مناسب ارزیابی شود.

پرسش های متداول درباره عدد HLB

آیا عدد HLB بالاتر همیشه به معنی امولسیفایر بهتر است؟

خیر. HLB بالاتر معمولاً نشان دهنده آب دوستی بیشتر امولسیفایرهای غیریونی است، اما مناسب بودن آن به نوع امولسیون، ترکیب فاز روغنی و سایر اجزای فرمولاسیون بستگی دارد.

چگونه HLB مناسب برای یک روغن را انتخاب کنیم؟

ابتدا مقدار HLB مورد نیاز روغن را برای نوع امولسیون مورد نظر، مانند آب در روغن یا روغن در آب، مشخص کنید. سپس می‌توان امولسیفایر یا ترکیبی از امولسیفایرها با HLB نزدیک به این مقدار را برای آزمایش اولیه انتخاب کرد.

آیا می توان دو امولسیفایر با HLB متفاوت را با هم ترکیب کرد؟

بله. ترکیب دو یا چند امولسیفایر امکان تنظیم HLB مخلوط را فراهم می کند. عدد HLB مخلوط با میانگین وزنی مقادیر HLB اجزا محاسبه می شود؛ با این حال، عملکرد واقعی ترکیب باید در فرمولاسیون آزمایش شود.

آیا یکسان بودن HLB دو امولسیفایر به معنی عملکرد یکسان آنها است؟

خیر. دو امولسیفایر با عدد HLB یکسان ممکن است از نظر ساختار شیمیایی، کاهش کشش بین سطحی و توانایی پایدارسازی امولسیون متفاوت باشند. بنابراین، HLB به تنهایی معیار کافی برای جایگزینی یک امولسیفایر با ماده دیگر نیست.

منبع:

https://hlbcalc.com/materials