El problema: ¿por qué el aceite y el agua no se mezclan?

Imagina una emulsión de aceite en agua, como una fragancia oleosa dispersa en un desinfectante acuoso. El aceite y el agua, como sabemos, no se mezclan de forma natural. Son como dos personajes de historias completamente diferentes: sin un mediador, esa convivencia simplemente no ocurre.

Ahí es donde entra el protagonista de nuestra historia: el tensioactivo.

Piensa en él como un maestro en un salón lleno de alumnos muy diferentes entre sí. Por un lado, tenemos el agua, a la que le encanta todo lo que es polar. Por el otro, el aceite, que prefiere su propio mundo apolar. El papel del maestro — el tensioactivo — es lograr que estos dos "alumnos" convivan en armonía.

Pero no todos los maestros utilizan la misma metodología. Algunos se comunican mejor con el agua; otros, con el aceite. Es precisamente esta característica la que el sistema HLB busca describir.

¿Qué es el HLB?

El Equilibrio Hidrófilo-Lipofílico, también conocido como Balance Hidrófilo-Lipofílico (Hydrophilic-Lipophilic Balance), o simplemente HLB (o también BHL, que es la sigla del término en español Balance Hidrófilo-Lipofílico), es un sistema numérico que expresa el equilibrio entre dos partes de un tensioactivo:

• Porción hidrófila: la parte de la molécula que tiene afinidad por el agua;
• Porción lipofílica: la parte que tiene afinidad por el aceite.

La escala va de 0 a 20. Cuanto mayor sea el valor de HLB, más "habla el idioma del agua" el tensioactivo. Cuanto menor sea, más se acerca al "idioma del aceite". En resumen:

• HLB alto: mayor afinidad con el agua.
• HLB bajo: mayor afinidad con el aceite.

Este equilibrio orienta directamente la elección del tensioactivo adecuado para cada formulación.

La escala HLB en la práctica

El siguiente esquema resume los rangos de HLB y sus aplicaciones más comunes:

¿Por qué utilizar mezclas de tensioactivos?

En la práctica, es poco frecuente que un solo tensioactivo presente exactamente las características necesarias para estabilizar una emulsión. Por ello, es común combinar dos o más tensioactivos. Esta estrategia ofrece ventajas que van más allá del simple ajuste del HLB:

• Mayor estabilidad física de la emulsión;
• Mejor formación y homogeneidad;
• Reducción de la cantidad total de emulsionante necesaria;
• Efecto sinérgico entre las moléculas.

Cuando se utilizan diferentes tensioactivos simultáneamente, sus moléculas pueden organizarse en estructuras denominadas micelas mixtas: combinaciones que aprovechan las características de cada componente, lo que da como resultado un desempeño superior al de cualquiera de los tensioactivos por separado.

¿Desea saber más sobre los tensioactivos y el comportamiento micelar? Haga clic aquí y lea el texto completo en nuestro blog.

Cómo calcular el HLB de una mezcla

Los valores de HLB de los tensioactivos se calculan a partir de la estructura molecular de la molécula. Existen dos métodos principales:

Método de Griffin (1949): para tensioactivos no iónicos

Creado por William C. Griffin, es el método más común para los ésteres de ácidos grasos y los derivados del óxido de etileno (como los Tweens y los Spans). La fórmula se basa en la fracción de masa de la porción hidrófila:

• Mh = masa molar de la porción hidrófila (por ejemplo: cadenas de óxido de etileno o polioles).
• M = masa molar total de la molécula.
• El factor 20 es una escala arbitraria: una molécula 100% hidrófila tendría un HLB = 20.

Método de Davies (1957): para tensioactivos iónicos y no iónicos

El método de Davies asigna valores numéricos fijos a cada segmento químico de la molécula. Tiene la ventaja de que también funciona para tensioactivos iónicos, como el Lauril Sulfato de Sodio.

Ejemplos de valores de grupo:

El Lauril Sulfato de Sodio (SLS), por ejemplo, cuenta con un grupo sulfato (–SO-Na+, valor +38,7) y una larga cadena carbonosa de 12 átomos de carbono (12 x –CH–, valor total –5,7). Según el método de Davies, su HLB sería aproximadamente 7 + 38,7 - 5,7 = 40, lo que indica una molécula extremadamente hidrófila, lo cual concuerda con su uso como detergente y agente espumante.

De manera simplificada, el HLB puede calcularse fácilmente mediante el promedio ponderado de las concentraciones:

Veamos un ejemplo práctico:

• Tensioactivo A: HLB = 16, utilizado en el 50 % de la mezcla; aporta 8,0
• Tensioactivo B: HLB = 6, utilizado en el 50 % de la mezcla; aporta 3,0
• HLB de la mezcla = 8,0 + 3,0 = 11

Es decir, al combinar la mitad de cada tensioactivo, obtenemos una mezcla con un HLB de 11, que es adecuada, por ejemplo, para emulsiones de aceite en agua con aceites de afinidad moderada.

Los Ésteres de Sorbitán: un ejemplo clásico

Entre los tensioactivos más utilizados en estudios y en el desarrollo de emulsiones se encuentran los Ésteres de Sorbitán, conocidos por las marcas Span® y Tween®. Estos ilustran bien la lógica de las mezclas:

• Ésteres de Sorbitán (Span®): HLB relativamente bajo; más lipofílicos.
• Ésteres de Sorbitán Etoxilados (Tween®): HLB elevado - más hidrófilos.

La combinación de ambos permite ajustar el HLB promedio a cualquier valor deseado, simplemente variando la proporción de cada componente.

Atención:
Los Ésteres de Sorbitán se utilizan ampliamente en estudios académicos, pero eso no significa que sean los mejores o los más adecuados para todos los casos. Para cada sistema de emulsión, es necesario evaluar cuál es el tipo de tensioactivo más adecuado.

¿Qué es el HLB requerido (HLBr)?

Hasta ahora hemos hablado del HLB como una característica del tensioactivo. Sin embargo, también existe el concepto de HLB Requerido, el HLBr, que es una característica de la fase oleosa de la emulsión.

El HLBr es el valor de HLB que el sistema emulsionante debe tener para estabilizar un aceite determinado en una formulación específica. En otras palabras: cada aceite "requiere" un tipo específico de tensioactivo.

• Las emulsiones de aceite en agua (O/A) requieren tensioactivos con un HLB alto.
• Las emulsiones de agua en aceite (A/O) requieren tensioactivos con un HLB bajo.
• El HLBr varía según el tipo de aceite utilizado.

Algunos ejemplos de referencia:

• Aceite de girasol: HLBr entre 6 y 8.
• Miristato de isopropilo: HLBr entre 11 y 12.
• Siliconas y aceites minerales: HLBr generalmente superior a 10.

Cuando el HLB del sistema emulsionante se aproxima al HLBr de la fase oleosa, la tendencia es obtener emulsiones más estables y homogéneas.

¿Cómo se determina el HLBr en la práctica?

El HLBr no es un valor fijo ni absoluto. Se determina experimentalmente, ya que se ve influenciado por diversos factores además del aceite en sí: la composición de la fase acuosa, la temperatura, la fuerza iónica del sistema y la presencia de otros ingredientes.

En la práctica, la metodología funciona así:

• Se prepara una serie de emulsiones con el mismo aceite y la misma concentración de tensioactivo, variando únicamente el HLB del sistema emulsionante (utilizando mezclas con diferentes proporciones).
• Las emulsiones se evalúan en cuanto a su estabilidad física: observación de la separación de fases, centrifugación o ciclos térmicos. En esta etapa, se utiliza intencionalmente una concentración menor de tensioactivo, para que las emulsiones no sean totalmente estables, lo que permite comparar la velocidad de separación entre las muestras.
• El intervalo de HLB que produjo las emulsiones más estables se va refinando progresivamente, hasta identificar el punto óptimo.

Una vez definido el HLBr, la siguiente etapa consiste en determinar la concentración mínima de tensioactivo necesaria para estabilizar la emulsión durante la vida útil del producto, nuevamente mediante una serie de pruebas con diferentes concentraciones.

Tabelas de HLBr disponíveis na literatura

Existem tabelas de referência com HLBr de diversos óleos. Elas são úteis para reduzir a quantidade de testes iniciais, mas devem ser usadas apenas como ponto de partida, as condições específicas de cada formulação podem alterar o HLBr real do sistema.

O HLB é um conceito fundamental para quem trabalha com emulsões na indústria química. Compreender a escala, a lógica das misturas de tensoativos e o conceito de HLBr permite desenvolver formulações mais estáveis, mais eficientes e com menos tentativas e erros.

Apesar de suas limitações, especialmente o fato de o HLBr ser influenciado por múltiplos fatores do sistema, o HLB permanece como um excelente ponto de partida para a seleção de emulsificantes, acelerando o desenvolvimento de produtos.

¿Tiene alguna duda sobre el HLB de su formulación? Póngase en contacto con el SmartLab de Macler. Nuestro equipo técnico puede ayudarle a seleccionar y desarrollar el sistema emulsionante más adecuado para sus necesidades.