El Sistema HLB

(Primera Parte)

1.RESUMEN

La inmensa cantidad de agentes tensoactivos, que con el avance tecnológico actual se cuentan por millares distribuidos en numerosas familias químicas y expendidos por diversas casas comerciales, representa para el usuario un verdadero problema por las múltiples variables que en un momento dado implican la selección de uno o varios en particular para la labor específica de emulsificación.

Para ayudarnos a ahorrar tiempo en la selección de emulsionantes, se introdujo, allá por la década del 40 del siglo pasado el llamado “Sistema HLB”, el cual nos permite asignar un “número” al material o materiales que se quieren emulsionar y entonces seleccionar un emulsionante o mezcla de emulsionantes que contengan ese mismo número con altísimas probabilidades de lograr una emulsión o sistema de dos fases homogéneo y estable.

Cuando se habla de emulsiones, se está mencionando uno de los sistemas más complejos y que incluyen un grado de dificultad muy alto por las innumerables alternativas de carácter físico químicas que representan. Por ejemplo:

o¿Se desea una emulsión de aceite en agua o de agua en aceite?

o¿Se prefiere tener una estabilidad corta o prolongada?

o¿Cuáles son sus limitaciones desde el punto de vista de costos?

o¿Debe ser el emulsionante estable o no a los álcalis, ácidos y a otros electrolitos?

o¿Son las condiciones de producción (equipos con variables dinámicas y geométricas) adecuadas para una fácil preparación de productos emulsionados?

De hecho, la respuesta acertada a cada una de estas preguntas descartará de inmediato un número considerable de emulsionantes que no cumplen estos requisitos.

Sin embargo, la labor de selección del más adecuado será imposible sin la ayuda de un método, que como el HLB, es una respuesta a la simplificación de esta selección.

El presente artículo les brindará una descripción de uno de los métodos divulgados, desde hace buen tiempo, que mayor claridad otorga para lograr una de las tareas más gratificantes de todo químico, que es la de emulsionar satisfactoriamente los ingredientes que intervienen en su receta, pero que, a su vez, le reportará una serie de consideraciones que tendrá que reevaluar al momento que tenga que presentar al mercado un producto final “satisfactoriamente emulsionado”.

2.CONCEPTOS PRELIMINARES

2.1.¿Qué es una emulsión?

Una emulsión es una mezcla de dos sustancias inmiscibles en la cual una de ellas (la fase dispersa) es dispersada en la otra (la fase continua).

Las emulsiones normalmente tienen una apariencia turbia debido a que las gotas son típicamente mayores a un micrón (10^-6m) y la mayoría de las interfases de ambas fases dispersan la luz que pasa a través de la emulsión.

Características de las emulsiones:

oSon inestables

oNo se forman espontáneamente

oRequieren de la dotación de energía mediante agitación y/o homogenizadores

oSon termodinámicamente inestables

oSe revierten al estado estable de separación de fases.

La adición de sustancias activas de superficie, conocidas como emulsionantes o surfactantes, mejoran la estabilidad cinética, de tal manera que, una vez que actúan, la emulsión no cambia significativamente durante el almacenaje. Así, podemos encontrar una fase interna (gotas) en una fase externa continua con surfactantes espontáneamente adsorbidos en la interfase de los dos líquidos mutuamente insolubles.

2.2.¿Es lo mismo decir emulsionante que surfactante?

Es lo mismo, y he lanzado esta pregunta como subtítulo del artículo debido a que cierta controversia en el uso del término “surfactante” he podido notar en el ambiente técnico textil. El término surfactante se deriva de las palabras “agente activo de superficie” (en el inglés: surface active agent = surfactant). Los surfactantes proveen beneficios considerables en muchos procesos textiles húmedos. Un producto químico activo de superficie es aquel que tiende a acumularse en la superficie o interfase. Una interfase es el área de contacto entre dos sustancias. Cuando la interfase está entre dos sustancias y no en la misma fase, la interfase es usualmente llamada una superficie. Claramente, los procesos químicos que toman lugar en la superficie sólido/líquido entre las fibras textiles y el agua determinan, a menudo, el éxito o el fracaso de los procesos.

Ejemplos de eventos importantes en los procesos químicos textiles que involucran la interacción de superficies incluyen la humectación, dispersión, emulsificación, la adsorción de químicos y colorantes sobre las fibras, adhesión, vaporización, sublimación, fundición, transferencia de calor, catálisis, espumación, desespumación. Funciones específicas de los agentes activos de superficie incluyen la remoción de suciedad (descrude), humectación, rehumectación, suavizado, retardo de la velocidad de los colorantes, fijación de los colorantes, elaboración de emulsiones, estabilización de dispersiones, coagulación de sólidos suspendidos, elaboración de espumas, prevención de la formación de espuma y desespumación de líquidos.

2.3.¿Qué es la tensión superficial?

La tensión superficial de un líquido es una presión interna causada por la atracción entre las moléculas que están debajo de la superficie y aquellas que se encuentran en la superficie del líquido. Esta atracción molecular crea un tirón hacia adentro, o presión interna, el cual tiende a restringir la tendencia del líquido a fluir y a formar una gran interfase con otra sustancia.

La tensión superficial (o tensión interfacial si la interfase no es una superficie) determina la tendencia de las superficies para establecer contacto con otras. Por lo tanto, la tensión superficial es la superficie de la forma de la gota de un líquido. Si la tensión superficial es alta, las moléculas en el líquido están fuertemente atraídas a otras y no tanto a las del aire circundante. Si la molécula de agua está en contacto con un sólido tal como una tela, su forma se verá afectada por la tensión superficial en la interfase sólido/líquido. Si la tensión superficial en el líquido es menor, la forma de la gota se torna más elipsoidal.

La siguiente tabla expone algunos valores de tensión superficial para algunas sustancias:

Tabla 1: Valores de tensión superficial de algunas sustancias

Debido a su baja tensión superficial, el etanol, fluirá y formará una mayor área de contacto (superficie) con un sólido en comparación al agua. El mercurio, con su elevada tensión superficial, no fluirá sino que se romperá en gotas si se da la oportunidad de que lo haga.

Los agentes activos de superficie interfieren con la habilidad de las moléculas de una sustancia para interactuar con otras y, por ello, es menor la tensión superficial de la sustancia. Los surfactantes empleados en aplicaciones industriales usualmente causan una dramática disminución de la tensión superficial cuando son usadas en pequeñas concentraciones.

Químicamente, los surfactantes son moléculas anfipáticas. Esto es, ellos tienen dos diferentes características, una polar y otra no polar, en diferentes partes de la misma molécula. Por lo tanto, una molécula de surfactante tiene tanto características hidrofílicas (con afinidad por el agua) como hidrofóbicas (sin afinidad por el agua). Simbólicamente, una molécula de surfactante puede ser representada como que tiene una “cabeza polar” una “cola no polar” como se muestra en la Figura 1.

Figura 1: Ilustración de la naturaleza anfipática de un tensoactivo.

El grupo hidrofóbico en un surfactante para su uso en un medio acuoso es usualmente una cadena hidrocarbonada, pero puede ser también una cadena de fluorcarbonos o siloxanos de determinada longitud. El grupo hidrofílico es polar y puede ser ya sea iónico o no iónico.

Debido a que las moléculas de surfactantes tienen tanto partes hidrofílicas como hidrofóbicas, el mejor lugar atractivo para ellos en el agua es en la superficie donde las fuerzas de atracción y repulsión se equilibran. Otra forma en la que los surfactantes interactúan para equilibrar las fuerzas naturales atracción y repulsión es mediante la formación de “micelas” (ver Figura 2).

Las micelas consisten de una región interior de carácter hidrofóbico en donde las colas hidrofóbicas interactúan con otras de su mismo tipo. Esta región hidrofóbica está rodeada por la región hidrofílica en donde las cabezas de las moléculas del surfactante interactúan con el agua.

Figura 2: Representación esquemática de las moléculas del surfactante en la superficie y micela del surfactante dentro del líquido.

Las moléculas del surfactante están disociadas a bajas concentraciones en agua. A mayor concentración del surfactante en el agua, las micelas se forman y este punto es denominado “concentración crítica de micela (CMC)”. La tensión superficial del agua sufre una disminución estrepitosa, y la detergencia de la mezcla se incrementa dramáticamente en la CMC.

2.4.¿Qué es el HLB?

El HLB de un surfactante es una expresión de su balance Hidrófilo – Lipófilo, es decir, el balance del tamaño y fuerza de los grupos hidrofílicos (afín al agua o polar) y lipofílicos (no afín al agua o no polar) de un surfactante. Todos los surfactantes consisten de una molécula que combina tanto a grupos hidrofílicos como a lipofílicos.

El HLB de un surfactante o mezcla de surfactantes es una indicación de lo que hará, es decir, si formará una emulsión aceite en agua (O/W; oil/water en el inglés) o una de agua en aceite (W/O; water/oil en el inglés). Expliquemos esto:

Existen dos tipos básicos de emulsiones previstas por valores HLB. Ellas son como se dijo anteriormente: las emulsiones (O/W) y las (W/O). La fase que se designa primero es la fase discontinua; esto es, la fase que es emulsionada dentro de otra. Al mezclarse las dos fases con un surfactante, éste forma una tercera fase bajo la forma de una película en la interfase de las dos fases. Además, predijo que la fase en la cual el surfactante es más soluble llegaría a ser la fase continua. La fase continua no necesita ser la cantidad predominante del material presente. Existen emulsiones en donde la fase discontinua se compone de un mayor porcentaje en peso que la fase continua. Un simple análisis de dilución de una emulsión con agua, determinará si esta es la fase continua al homogenizar la mezcla.

Figura 3: Diagrama clásico de los tipos de emulsiones.

Un surfactante que tenga carácter lipofílico tiene asignado un número bajo HLB (menor a 9.0), y uno que es hidrofílico tiene asignado un alto número HLB (mayor a 11.0). Aquellos que están en el rango de 9.0 – 11.00 tiene un carácter intermedio.

Figura 4: Diagrama de clasificación funcional de los surfactantes según su número HLB.

2.5.Algunas fórmulas para el cálculo del HLB?

El número HLB de un surfactante es calculado de acuerdo a ciertas fórmulas empíricas, y el detalle deductivo de las que se exponen no será abordado en el presente artículo.

Así:

El número HLB de un surfactante no iónico perteneciente a la clase de los polioxietilenos se calcula mediante la siguiente fórmula:

Ecuación 1

Ejemplo: El polietilenglicol (PEG) tiene un HLB de 20

El número HLB de un éster de un ácido graso con un alcohol polihídrico como el monoestearato de glicerol, puede ser calculado mediante la siguiente fórmula:

Ecuación 2

Donde:

S = ÃŒndice de saponificación del éster

A = Valor ácido del ácido

Ejemplos: Los polisorbatos tiene un HLB en el rango de 9.6 a 16.7

Los ésteres de sorbitan un HLB en el rango de 1.8 a 8.6

Para aquellos materiales en los cuales no es posible obtener los índices de saponificación, como por ejemplo, en la cera de abejas y los derivados de lanolina, el HLB se calcula a partir de la siguiente fórmula:

Ecuación 3

Donde:

E es el porcentaje en peso de la cadena oxietilénica

P es el porcentaje en peso del grupo alcohol polihídrico (glicerol o sorbitol) en la molécula.

El sistema HLB ha sido colocado sobre una base más cualitativa por Davies y Riedel, quienes calcularon las contribuciones de grupos al número HLB, de tal manera que el HLB fue calculado a partir de la siguiente fórmula:

Ecuación 4

El HLB de una mezcla de surfactantes que contiene una fracción f de un componente A y (1- f) de un componente B, es calculado de la siguiente manera:

Ecuación 5

En la segunda parte de este artículo trataremos directamente acerca del “Sistema HLB” en lo que respecta a su aplicación y metodología, esperando que la exposición de ciertos conceptos vitales, brindados en esta primera parte, permita un más claro entendimiento de lo que trataremos posteriormente.

Atentamente:

Ing. Carlos Rodríguez Gandarillas

Director técnico comercial

AUXITEX S.A.C.