Cân bằng ưa nước và kị nước HLB

Các tính chất của các chất hoạt động bề mặt liên quan đến mối tương quan giữa phần ái nước và phần kỵ nước. Nếu phần ái nước tác dụng mạnh hơn phần kỵ nước thì chất họat động bề mặt dễ hòa tan trong nước hơn, ngước lại nếu phần kỵ nước tác dụng mạnh hơn phần ái nước thì chất họat động bề mặt dễ tan trong pha hữu cơ hơn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HCM BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

MỤC LỤC

I Tổng quan 1

1 Giới thiệu chất hoạt động bề mặt 1

2 Hệ nhủ tương và chỉ số HLB 3

II Chỉ số HLB và vai trò trong đánh giá chất HDBM 5

1 Chỉ số HLB (Hydrophile-Lipophile Balance) 5

2 Hệ nhũ tương O/W và W/O 9

3 Vai trò của chỉ số HLB 15

TÀI LIỆU THAM KHẢO 19

HLB VÀ ỨNG DỤNG

I Tổng quan

1 Giới thiệu chất hoạt động bề mặt

Ở cuộc sống hiện đại, nhu cầu về các chất tẩy rửa ngày càng đượcquan tâm và trở thành một nhu cầu không thể thiếu được đối với con người Ở bất kì đâu, bất kì ai cũng đều sử dụng những sản phẩm như kem đánh răng,sửa tắm, xà phòng tắm, xà phòng giặt… Tất cả đã hình thành nên ngành công nghiệp sản xuất các chất tẩy rữa Ngành công nghiệp này đặt trên việc sử dụng và phát triễn các chất hoạt động bề mặt và phụ gia cho các chất hoặt động bề mặt

Chất hoạt động bề mặt (Surfactant, Surface active agent) đó là một chất làm ướt

có tác dụng làm giảm sức căng bề mặt của một chất lỏng Là chất mà phân tử của nó phân cực: một đầu ưa nước và một đuôi kị nước

Đặc điểm: Chất hoạt động bề mặt được dùng giảm sức căng bề mặt của một chất

lỏng bằng cách làm giảm sức căng bề mặt tại bề mặt tiếp xúc (interface) của hai chất lỏng Nếu có nhiều hơn hai chất lỏng không hòa tan thì chất hoạt hóa bề mặt làm tăng diện tích tiếp xúc giữa hai chất lỏng đó Khi hòa chất hoạt hóa bề mặt vào trong một chất lỏng thì các phân tử của chất hoạt hóa bề mặt có xu hướng tạo đám (micelle), nồng độ mà tại đó các phân tử bắt đầu tạo đám được gọi là nồng độ tạo đám tới hạn Nếu chất lỏng là nước thì các phân tử sẽ chụm đuôi kị nước lại với nhau và quay đầu

ưa nước ra tạo nên những hình dạng khác nhau như hình cầu (0 chiều), hình trụ (1 chiều), màng (2 chiều) Tính ưa, kị nước của một chất hoạt hóa bề mặt được đặc trưng bởi một thông số là độ cân bằng ưa kị nước (Hydrophilic Lipophilic Balance - HLB), giá trị này từ 0 đến 20 (có thể lên đến 40) HLB càng cao thì hóa chất càng dễ hòa tan trong nước, HLB càng thấp thì hóa chất càng dễ hòa tan trong các dung môi không phân cực như dầu

Phân loại: Tùy theo tính chất mà chất hoạt hóa bề mặt được phân theo các loại

khác nhau Nếu xem theo tính chất điện của đầu phân cực của phân tử chất hoạt hóa bề mặt thì có thể phân chúng thành các loại sau:

Chất hoạt hóa ion: khi bị phân cực thì đầu phân cực bị ion hóa

 Chất hoạt hóa ion dương: khi bị phân cực thì đầu phân cực mang điện dương, ví dụ: Cetyl trimetylammonium bromua (CTAB), Cetyl pyridinium clorua (CPC), Polyethoxylated tallow amin (POEA)

 Chất hoạt hóa ion âm: khi bị phân cực thì đầu phân cực mang điện âm,

ví dụ: Natri dodecyl sulfat (SDS), Amoni lauryl sulfat, Xà phòng và các muối của axit béo

Chất hoạt hóa phi ion: đầu phân cực không bị ion hóa, ví dụ: Ankyl poly(etylen oxit), Copolymers của poly(etylen oxit) và poly(propylen oxit), Octyl glucozit, Các rượu béo

Chất hoạt hóa lưỡng cực: khi bị phân cực thì đầu phân cực có thể mang điện âm hoặc mang điện dương tùy vào pH của dung môi, ví dụ: Dodecyl betain, Dodecyl dimetylamin oxit, Coco ampho glycinat

Ứng dụng: Chất hoạt hóa bề mặt ứng dụng rất nhiều trong đời sống hàng ngày Ứng dụng phổ biến nhất là bột giặt, sơn, nhuộm

Ngoài ra những ứng dụng trong các lĩnh vực khác như:

 Trong công nghiệp dệt nhuộm: Chất làm mềm cho vải sợi, chất trợ nhuộm

 Trong công nghiệp thực phẩm: Chất nhũ hóa cho bánh kẹo, bơ sữa và đồ hộp

 Trong công nghiệp mỹ phẩm: Chất tẩy rửa, nhũ hóa, chất tạo bọt

 Trong ngành in: Chất trợ ngấm và phân tán mực in

 Trong nông nghiệp: Chất để gia công thuốc bảo vệ thực vật,

 Trong xây dựng: Dùng để nhũ hóa nhựa đường, tăng cường độ đóng rắn của bê tông

 Trong dầu khí: Chất nhũ hóa dung dịch khoan

 Trong công nghiệp khoáng sản: Làm thuốc tuyển nổi, chất nhũ hóa, chất tạo bọt để làm giàu khoáng sản

2 Hệ nhủ tương và chỉ số HLB

Khái niệm: Nhũ tương là một hệ phân tán cao của hai hay nhiều chất lỏng không

trộn lẫn vào nhau, một trong hai có mặt dưới dạng những giọt nhỏ của pha bị phân tán, pha còn lại dưới dạng pha liên tục Trong hầu hết thực phẩm, các giọt nhỏ có đường kính 0.1- 100µm

Phân loại nhũ tương: Nhũ tương thường được phân loại theo tính chất của tướng phân tán và môi trường phân tán hoặc theo nồng độ của tướng phân tán trong hệ

Theo cách phân loại đầu, người ta chia thành chất lỏng không phân cực (hoặc phân yếu) trong chất lỏng phân cực là các nhũ tương loại 1 hay nhũ tương thuận kí hiệu O/W (oil/water) Ví dụ: mayonnaise, sữa, kem, sốt… Và chất lỏng phân cực trong chất lỏng không phân cực là các nhũ tương loại 2 hay nhũ tương nghịch kí hiệu W/O (water/oil) Ví dụ:bơ, magarin, các chất phết lên bánh…

Theo cách phân loại thứ hai, nhũ tương được chia ra: nhũ tương loãng, đậm đặc, rất đậm đặc hay gelatin

 Nhũ tương loãng: là các nhũ tương chứa khoảng 0.1% tướng phân tán Là nhũ tương có độ phân tán bé chế tạo bằng cách pha loãng nhũ tương đậm đặc Các hạt trong nhũ tương loãng có kích thước rất khác với kích thước hạt của các nhũ tương đặc và rất đặc các nhũ tương loãng là hệ phân tán cao có đường kính hạt phân tán quanh 10-5 cm, thường được tạo nên mà không cần thêm vào hệ các chất nhũ hóa đặc biệt

 Nhũ tương đậm đặc: là những hệ phân tán lỏng- lỏng chứa một lượng lớn tướng phân tán, đến 74% thể tích Kích thước các hạt tương đối lớn 0.1-1µm và lớn hơn Các nhũ tương đậm đặc rất dễ sa lắng, đặc biệt là khi có sự khác biệt về khối lượng riêng giữa tướng phân tán và môi trường phân tán càng cao

 Nhũ tương rất đậm đặc: là các hệ lỏng- lỏng trong đó độ chứa của tướng phân tán vượt quá 74% thể tích

Ngoài ra ta còn có Nhũ phức: dầu có thể phân tán trong pha nước của nhũ W/O để tạo ra hệ phức O/W/O

Chỉ số HLB - Hydrophile-Lipopile Balance: Mối tương quan ái nước - ái dầu

 Thang đo HLB: 1-20

 HLB lớn: Tính ái nước cao, tính ái dầu thấp

 Gia tăng HLB -> gia tăng tính á nước

 Độ phân tán khác nhau trong dd nước -> HLB khác nhau

II Chỉ số HLB và vai trò trong đánh giá chất HDBM

1 Chỉ số HLB (Hydrophile-Lipophile Balance)

Các tính chất của các chất hoạt động bề mặt liên quan đến mối tương quan giữa phần ái nước và phần kỵ nước Nếu phần ái nước tác dụng mạnh hơn phần kỵ nước thì chất họat động bề mặt dễ hòa tan trong nước hơn, ngước lại nếu phần kỵ nước tác dụng mạnh hơn phần ái nước thì chất họat động bề mặt dễ tan trong pha hữu cơ hơn Từ đó dựa vào mối tương quan giữa phần kỵ nước và ái nước mà chất họat động bề mặt được sử dụng vào các mục đích khác nhau Mối tương quan giữa phần ái nước và kỵ nước được đặc trưng bằng giá trị HLB ( cân phần ái nước-ái dầu)

HLB cho biết tỷ lệ giữa tính ái nước so với tính kỵ nước, được biểu thị bằng thang

đo có giá trị từ 1-20 Các chất họat động bề mặt có tính ái nước thấp sẽ có HLB nhỏ, các chất họat động bề mặt có tính ái dầu thấp sẽ có HLB lớn Sự gia tăng HLB tương ứng với sự gia tăng của tính ái nước

Có thể ứơc lượng sơ bộ giá trị HLB dựa trên tính chất hòa tan trong nước hay tính phân tán của chất họat động bề mặt trong nước.Ứng với độ phân tán khác nhau thì giá trị HLB khác nhau

Bảng: Ước tính HLB tán của chất hoạt động bề mặt trong nước dựa trên mức độ phân

Mức độ phân tán HLB Không phân tán trong nước 1-4

Phân tán kém 3-6

Phân tán như sữa sau khi lắc 6-8

Phân tán như sữa bền 8-10

Phân tán trong mờ đến trong 10-13

Dung dịch trong >13

 Công thức tính HLB:

+ Công thức của Davies:

HLB = 7 + ∑HLB nhóm ái nước - ∑ HLB nhóm kị nước

Davies đã chuyển cấu trúc chất họat động bề mặt thành các nhóm thành phần để xác định HLB Giá trị HLB của các nhóm cho trong bảng dưới đây:

Nhóm ái nước HLB Nhóm kị nước HLB

Md: Khối lượng phân tử ưa dầu trong phân tử

+ Công thức tính ester của acid béo và rượu đa chức:

HLB = 20(1-S/A) Trong đó: S: Chỉ số xà phòng hóa của ester

A: Chỉ số acid của acid béo

+ Nếu ester không đo được chỉ số xà phòng hóa thì có công thức sau:

HLB = ( E + P) /5 Trong đó: E, P : phần trăm khối lượng của EO và rượu đa chức trong phân tử

+ Công thức Griffin: hỗn hợp có nhiều chất hoạt đông bề mặt thì:

HLBhh = ∑x 𝑖 * HLBi

Trông đó: xi: phần khối lượng trong tổng khối lượng chất hoạt động bề mặt

Chất hoạt động bề mặt Giá trị thực Giá trị tính toán

Để tạo nhũ O/W, mỗi thành phần dầu đều có giá trị HLB “cần thiết”

Giá trị HLB “cần thiết” là giá trị HLB của chất nhũ hóa để có thể giảm sức căng bề mặt giữa thành phần pha dầu và nước

Nhóm HLB “cần thiết”

Dầu thực vật 6

Silicone oils 8-12

Petroleum oils 10

Các ester làm mềm da 12

Acid và rượu béo 14-15

Chất hoạt động bề mặt nonionic sử dụng làm bộ HLB chuẩn:

HLB 2 8% SPAN® 80/92% SPAN 85

HLB 4 88% SPAN 80/12% SPAN 85

 Quan sát nhũ được hình thành và chọn nhũ bề nhất

Bền: không tách lớp hay tách lớp sau cùng

=>HLB của nhũ hóa được sử dụng chính là HLB “cần thiết”

HLB “cần thiết” và công thức sản phẩm

 Xác định các thành phần pha tan trong dầu ( không bao gồm chất nhũ hóa)

 Xác định tổng thành phần khối lượng pha dầu

 Xác định tỷ lệ % khối lượng của từng thành phần pha dầu so với tổng

 Nhân tỷ lệ % khối lượng với giá trị HLB “cần thiết” của từng thành phần pha dầu

 Cộng tổng cộng các giá trị này ta được giá trị HLB “cần thiết” cho hỗn hợp

Công thức lotion O/W đơn giản:

Cần sử dụng hệ nhũ hóa có giá trị HLB khoảng 11.2

Nên sử dụng ít nhất 2 chất hoạt động bề mặt trong hỗn hợp

Giá trị HLB đúng thường để đạt trạng thái rất bền khi ở lượng dùng thấp hơn

VD: công thức cần hỗn hợp HĐBM ở HLB 11.2 với hàm lượng 4% thì bền hơn khi sử dụng với hàm lượng 5% của hỗn hợp HLB 10.2 hoặc 13.2

2 Hệ nhũ tương O/W và W/O

Có hai loại cơ bản của nhũ tương: dầu-trong-nước (O / W) và nước trong dầu (W / O)

Hệ nhũ tương có pha liên tục và pha phân tán Hệ nhũ tương dầu trong nước, pha liên tục là nước và pha phân tán là dầu hệ nhũ tương nước trong dầu pha liên tục là dầu, pha phân tán là nước Mỗi loại nhũ tương ứng với một số HLB, biểu thị mối quan hệ với nước và với dầu, cũng như khuynh hướng nhũ hóa Nói chung chất nhũ hóa có giá trị HLB từ 3-6 cho nhũ W/O trong khi những chất nhũ hóa có giá trị HLB khoảng 7-17 sẽ tạo nhũ O/W

Các loại nhũ tương không phụ thuộc vào lượng thực tế của dầu và nước hiện có trong một hệ nhũ tương Ví dụ: dầu giấm là nhũ tương dầu trong nước mặc dù có nhiều dầu hơn nước (giấm) trong 1 chai dầu giấm

Đối với hầu hết các công thức nấu ăn, nó không có vấn đề gì loại nhũ tương mà bạn đã tạo ra, như là kết quả cuối cùng là như nhau Ngoại lệ chính là với sữa Hãy xem xét sự khác biệt giữa kem và bơ:

Kem và bơ nghĩa là cùng một điều Để làm cho bơ, bạn chỉ đơn giản là trộn kem cho đến khi nhũ tương đảo ngược; nghĩa là, nó biến đổi từ một nhũ tương dầu-trong-nước thành một nhũ tương nước trong dầu Nhưng mặc dù điều này là sự khác biệt duy nhất giữa kem và bơ, các hiệu ứng trên hương vị và kết cấu là rất lớn

Hầu hết các nhũ tương sẽ không biến thành bơ ngay cả khi bạn lắc trong một thời gian dài, nhưng một số nhũ tương có thể phá vỡ với quá nhiều khuấy động Ví dụ, sốt mayonnaise sẽ không hình thành một cách chính xác nếu nó không ngừng khuấy hoặc dầu được kết hợp quá nhanh

Điều quan trọng là phải biết loại nhũ tương khi thêm một chất tạo nhũ như những thay đổi quá trình chuẩn bị, nhưng chúng tôi sẽ giải thích điều này sau

 Làm thế nào để tạo nhũ tương

Lực cơ học: Để thực hiện một nhũ tương đầu tiên bạn cần phải áp dụng một lực cơ

học để phá vỡ các pha phân tán thành những giọt nhỏ mà trở nên lơ lửng trong giai đoạn liên tục Đối với điều này, bạn có thể sử dụng một cái đánh trứng, máy xay sinh tố hoặc các thiết bị phòng thí nghiệm khác như rotor-stator đồng hóa Chúng tôi sẽ giới thiệu những sau đó

Chất nhũ hóa: vấn đề tiếp theo để giải quyết là làm cho nhũ tương ổn định Các

lực mạnh hơn bạn áp dụng khi thực hiện nhũ tương, các giọt nhỏ hơn và ổn định hơn nhũ tương Tuy nhiên, không có vấn đề làm thế nào nhỏ các giọt nhỏ đều, các thành phần cuối cùng sẽ tách mà không có sự hiện diện của một chất tạo nhũ mà giữ các phân tử với phân cực khác nhau từ đẩy lùi nhau

Chất làm đặc: Cuối cùng, thêm một chất làm đặc cho các pha liên tục có thể làm

cho các nhũ tương thậm chí ổn định hơn vì điều này làm cho nó khó khăn hơn cho các giọt phân tán để di chuyển và kết hợp

Bất kỳ hỗn hợp dầu và nước có thể được chuyển đổi thành một nhũ tương, thậm chí không có nhũ Tuy nhiên, không có chất nhũ hoá, hỗn hợp này cũng sẽ nhanh chóng tách trở lại vào không thể trộn lại Bạn có thể thử một thí nghiệm đơn giản với dầu và nước Nhanh chóng trộn lẫn dầu và nước, và cuối cùng sẽ biến thành một hỗn hợp có đục Bạn sẽ nhận thấy rất nhiều bong bóng, tuy nhiên, những bong bóng sẽ nhanh chóng phát triển lớn hơn cho đến khi nước và dầu là hoàn toàn riêng biệt

Các tính chất của một nhũ tương

Độ nhớt: Khi bạn trộn dầu và nước, kết quả nhũ tương thường có độ nhớt cao hơn

so với mỗi thành phần trước khi quá trình nhũ tương hóa Hiệu ứng này được do sự tương tác của các phân tử trong nhũ tương Ví dụ, mayonnaise là nhiều nhớt hơn dầu và nước chanh Hầu hết các nhũ tương là chất lỏng chịu cắt-Mỏng có nghĩa là độ nhớt giảm nếu bạn bắt đầu khuấy chúng mạnh

Màu sắc: Sự trong suốt và màu sắc của nhũ tương phụ thuộc vào kích thước của

các giọt nước trong thành phần phân tán Các hạt càng nhỏ thì màu của nhũ tương

càng trắng Điều này là do cách các kích thước giọt ảnh hưởng đến sự phản xạ ánh sáng

Máy rotor-stator đồng hóa

 Hệ nhũ tương w/o

Làm thế nào để tạo nhũ tương nước trong dầu: Bào chế dạng nhũ tương nước trong dầu khó hơn nhũ tương dầu trong nước Nhưng sự khác nhau giữa hai loại nhũ tương này là như thế nào?

Theo định nghĩa, nếu dầu được phân tán vào trong nước thì gọi là nhũ tương dầu trong nước Và ngược lại, khi các giọt nước được phân tán trong dầu, kết quả nhũ tương được gọi là nước trong dầu Tuy nhiên, không phải khi pha nước được cho vào pha dầu thì nhũ tương đó gọi là nước trong dầu Nồng độ của nước và dầu cũng không quyết