La escala HLB: guía del formulador para la selección de emulsionantes

¿Qué es el HLB?

El HLB es una escala relativa de 0 (totalmente lipofílico) a 20 (totalmente hidrofílico). Los tensioactivos no iónicos con cadenas largas de óxido de etileno se sitúan en el extremo alto; los monoésteres de sorbitán con poco o ningún EO en el extremo bajo. El número representa el equilibrio entre las porciones hidrofílica y lipofílica de la molécula y se correlaciona con el tipo de emulsión que favorecerá un tensioactivo.

El método original de Griffin calcula el HLB de no iónicos etoxilados a partir de relaciones de peso molecular. En la práctica, los formuladores usan valores HLB publicados para grados comerciales y mezclan dos o más emulsionantes para alcanzar un HLB de sistema objetivo.

HLB requerido: emparejar emulsionantes con la fase oleosa

Cada aceite, cera o activo lipofílico tiene un HLB requerido — el HLB de sistema en el que se emulsifica más fácilmente en un sistema O/W. Cuando el HLB del sistema emulsionante coincide con el HLB requerido de la fase oleosa, las emulsiones se forman con mayor facilidad y tienden a ser más estables. El HLB requerido se determina experimentalmente y se publica en manuales de formulación; los valores siguientes son guías representativas.

Cálculo del HLB de mezcla

Al mezclar dos o más emulsionantes, el HLB del sistema es la media ponderada:

HLB de sistema = (fracción A × HLB A) + (fracción B × HLB B) + …

Ejemplo: 70 % Polisorbato 60 (HLB 14,9) + 30 % Estearato de sorbitán (HLB 4,7) da 0,7 × 14,9 + 0,3 × 4,7 = 10,4 + 1,4 = 11,8. Esto se acerca al HLB requerido del aceite mineral (10–11) y es adecuado para una crema O/W que contenga aceite mineral en la fase oleosa.

Ejemplo resuelto 1: crema de manos O/W

Objetivo de fórmula: 15 % de fase oleosa (alcohol cetílico + aceite mineral), emulsión O/W, estable a 40 °C de almacenamiento.

Paso 1: Calcule el HLB requerido ponderado de la fase oleosa. Aceite mineral (HLB requerido ~10,5) al 10 % más alcohol cetílico (HLB requerido ~15) al 5 % da HLB requerido ponderado ≈ 11.

Paso 2: Mezcle emulsionantes para HLB de sistema 11 — p. ej. 70 % Polisorbato 60 (HLB 14,9) + 30 % Estearato de sorbitán (HLB 4,7) → HLB de sistema calculado ≈ 11,8.

Paso 3: Use 4–5 % de emulsionante total sobre el peso de la fórmula. Caliente las fases oleosa y acuosa por separado a 75 °C, combine con homogeneización y enfríe con agitación suave.

Paso 4: Ajuste la viscosidad con 0,1–0,3 % de electrolito o 0,5 % de goma xantana si es necesario. Realice estabilidad a 40 °C / 75 % HR durante mínimo 4 semanas.

Ejemplo resuelto 2: dilución de EC agroquímico

Un concentrado emulsionable que contiene 50 % de activos en disolvente aromático debe dispersarse en agua dura a dilución 1:500 sin cremado ni separación de aceite.

• HLB de sistema emulsionante objetivo 10–12 para la mezcla de disolvente/activos.
• Mezcle dodecilbenceno sulfonato cálcico (hidrotropo/ayuda humectante) con etoxilato de alcohol C9–C11 (5 EO) en proporción aproximada 1:1.
• El paquete emulsionante total suele ser 8–15 % de la fórmula EC.
• Pruebe estabilidad de dilución CIPAC 36.1 a 0 °C, 20 °C y 54 °C antes del registro.

Consulte también nuestra guía de concentrados emulsionables para principios de formulación EC.

Ejemplo resuelto 3: solubilización de fragancia

Para solubilizar en claridad 1 % de aceite de perfume en un tónico acuoso sin turbidez:

• Use Polisorbato 20 (HLB ~16,7) en proporción mínima 3:1 tensioactivo-aceite — es decir, 3 % de PS 20 por 1 % de fragancia.
• Premezcle la fragancia con polisorbato antes de añadir al agua.
• Aumente la proporción a 4:1 o 5:1 para aceites terpénicos o resinoides difíciles.
• Si la claridad es marginal, añada 0,5–1 % de etanol como cosolvente.

HLB para emulsiones W/O

Las emulsiones W/O requieren emulsionantes de HLB bajo en el rango 3–6. Una formulación agua en aceite mineral podría usar oleato de sorbitán (HLB ~4,3) o monooleato de glicerol (HLB ~3,8) como emulsionante principal, posiblemente con un etoxilato de alcohol graso de bajo EO como coemulsionante. El concepto de HLB requerido sigue aplicando pero apunta al lado W/O de la escala.

Historia y desarrollo del concepto de HLB

El sistema HLB fue introducido en 1949 por William C. Griffin, un químico que trabajaba en Atlas Powder Company (posteriormente absorbida por ICI Americas), quien necesitaba una forma sistemática de clasificar el número creciente de emulsionantes de ésteres de sorbitán y polisorbatos que la empresa estaba comercializando. El artículo original de Griffin, publicado en el Journal of the Society of Cosmetic Chemists, propuso un método aritmético sencillo: para ésteres de ácidos grasos, HLB = 20 × (1 − S/A), donde S es el índice de saponificación del éster y A es el índice de acidez del ácido graso. Para tensioactivos donde la saponificación no es sencilla, Griffin ofreció una alternativa basada en el porcentaje en peso de la porción hidrófila de la molécula dividido entre cinco, limitando la escala práctica a 20.

En 1957, el químico australiano Norman Davies amplió el concepto con un método de contribución de grupos que asigna valores numéricos a grupos químicos específicos — sulfato, carboxilato, oxígeno de éter, hidroxilo — y los suma para estimar el HLB directamente a partir de la estructura molecular. El método de Davies supuso un avance significativo porque podía aplicarse a tensioactivos iónicos que el enfoque original de saponificación de Griffin no podía manejar bien, ampliando la utilidad del HLB más allá de los ésteres no iónicos para los que se diseñó originalmente.

Un enfoque relacionado pero distinto es el método de la temperatura de inversión de fase (PIT), desarrollado por Kozo Shinoda en la década de 1960. En lugar de asignar un número fijo a un tensioactivo, el PIT identifica la temperatura a la que una emulsión A/A se invierte a A/O a medida que la hidrofilia del emulsionante no iónico disminuye con el aumento de la temperatura. La formulación basada en PIT se utiliza ampliamente junto con el HLB en el diseño de emulsiones cosméticas e industriales, particularmente para sistemas estabilizados por no iónicos etoxilados cuya solubilidad depende fuertemente de la temperatura. Los formuladores modernos suelen combinar el HLB para la selección inicial de emulsionantes con el PIT o pruebas de estabilidad directas para la optimización final, ya que ningún número por sí solo capta por completo el comportamiento real de las emulsiones.

Limitaciones y consejos prácticos

El HLB es un punto de partida, no una garantía de estabilidad de emulsión. El comportamiento real también depende de:

• Temperatura — el punto de turbidez y la viscosidad de la emulsión cambian con la temperatura; una emulsión estable a temperatura ambiente puede separarse a 40 °C.
• Electrolitos — las sales comprimen la doble capa eléctrica y pueden romper emulsiones O/W o invertirlas.
• pH — los emulsionantes iónicos cambian de estado de carga; los emulsionantes basados en ésteres pueden hidrolizarse a pH extremos.
• Cotensioactivos y espesantes — alcoholes grasos, ceras y polímeros construyen viscosidad y estabilidad de red gel más allá de lo que predice solo el HLB.
• Relación de volumen de fases — las emulsiones de alta fase interna necesitan más emulsionante que los sistemas diluidos.

Valide siempre con pruebas de estabilidad acelerada y ensayos de rendimiento específicos de la aplicación. Para sistemas complejos, el soporte técnico de Venus puede recomendar etoxilatos de alcohol graso, polisorbatos y mezclas de emulsionantes personalizadas. Lea tensioactivo frente a emulsionante para el contexto de cuándo aplica el HLB. Contacte con Venus para muestras y apoyo en ajuste HLB.