HLB값

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1. 개요
2. HLB (Hydrophilic-Lipophilic Balance)
- 2.1. HLB 값과 계면활성제의 성질
  - 2.1.1. HLB 값에 따른 계면활성제의 용도
3. HLB 계산법
참조

1. 개요

HLB(Hydrophilic-Lipophilic Balance)는 계면활성제의 친수성과 친유기의 균형을 나타내는 지표이다. HLB 값에 따라 계면활성제의 수용성, 유화성, 습윤성 등 다양한 성질이 달라지며, 0에서 20까지의 척도로 표현된다. HLB 값은 그리핀, 데이비스, 가와카미 등 여러 과학자에 의해 계산 방법이 제시되었으며, 각 방법은 분자의 구성 성분과 화학 그룹을 기반으로 한다. HLB 값은 소포제, 유화제, 습윤제, 세제 등 다양한 용도로 사용되는 계면활성제의 특성을 예측하고, 용도를 결정하는 데 활용된다.

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HLB값
개요
개념	계면활성제의 친수성 및 친유성 정도를 나타내는 척도
정의
HLB값	계면활성제의 친수성-친유성 균형
설명	HLB 값은 계면활성제의 분자에서 친수기와 친유기의 상대적인 크기 또는 비율을 나타낸다.
특징	HLB 값이 높을수록 계면활성제는 더 친수성이고, HLB 값이 낮을수록 계면활성제는 더 친유성이다.
역사
창시자	윌리엄 C. 그리핀
발표 연도	1949년
HLB 값의 범위 및 특성
0-3	소포제
4-6	W/O 유화제 (수중유적형 에멀전)
7-9	습윤제
8-18	O/W 유화제 (유중수적형 에멀전)
13-15	세정제
16-20	가용화제
HLB 값 계산
그리핀 방법 (비이온 계면활성제)	HLB = 20 * (친수성 그룹의 분자량 / 전체 분자량)
데이비스 방법 (이온성 계면활성제)	HLB = 7 + m * H - n * L (여기서 H는 친수성 그룹의 값, L은 친유성 그룹의 값, m과 n은 각 그룹의 수)

2. HLB (Hydrophilic-Lipophilic Balance)

HLB(Hydrophilic-Lipophilic Balance)는 계면활성제의 친수성과 친유성 간의 균형을 나타내는 값으로, 계면활성제의 성질과 용도를 결정하는 중요한 지표이다. 계면활성제는 친수기와 친유기의 균형에 따라 다양한 성질을 가지는데, 이 균형을 HLB라고 한다.

비이온계 계면활성제의 경우, 친수기인 다가(多價) 알코올 부분과 친유기인 폴리옥시에틸렌 부분의 중량비를 통해 HLB 값을 계산할 수 있다. HLB 값에 따라 계면활성제의 수용성, 발포성, 소포성(消泡性), 세정성, 유화성(乳化性), 습윤성, 침투성 등 여러 가지 성질이 달라진다.^[2]

HLB 값은 분자의 계면활성제 특성을 예측하는 데 사용된다. HLB 값이 10 미만이면 지질에 잘 녹고(물에 녹지 않음), 10을 초과하면 물에 잘 녹는다(지질에 녹지 않음).^[4]

2. 1. HLB 값과 계면활성제의 성질

HLB 값은 계면활성제를 구성하는 친수기와 친유기의 균형을 나타내는 값이다. 비이온계 계면활성제의 경우, 친수기인 다가 알코올 부분과 친유기인 폴리옥시에틸렌 부분의 중량비를 통해 HLB 값을 계산할 수 있다.

1954년 그리핀(Griffin)이 제시한 비이온성 계면활성제의 HLB 계산식은 다음과 같다.

:

HLB = 20 * M_h / M

여기서

M_h

는 분자 친수성 부분의 분자 질량, M은 전체 분자의 질량이다. 이 식에 따르면 HLB 값은 0부터 20 사이의 값을 가지며, 0은 완전한 친유성, 20은 완전한 친수성을 의미한다.

1957년 데이비스(Davies)는 분자의 화학 그룹을 기반으로 HLB 값을 계산하는 방법을 제안했다.

:

HLB = 7 + \sum_{i \mathop=1}^{m}H_i - n \times 0.475

여기서

m

은 분자 내 친수성 그룹의 수,

H_i

는

i

번째 친수성 그룹의 값,

n

은 분자 내 친유성 그룹의 수이다. 데이비스의 방법은 친수성 그룹의 강약 효과를 고려한다는 장점이 있다.

친수성 그룹과 친유성 그룹의 값은 아래 표와 같다.

친수성 그룹	그룹 번호
-SO₄⁻Na⁺	38.7
-COO⁻K⁺	21.1
-COO⁻Na⁺	19.1
N (3급 아민)	9.4
에스터 (소르비탄 고리)	6.8
에스터 (자유)	2.4
-COOH	2.1
하이드록실 (자유)	1.9
-O-	1.3
하이드록실 (소르비탄 고리)	0.5

친유성 그룹	그룹 번호
-CH-	-0.475
-CH₂-	-0.475
CH₃-	-0.475
=CH-	-0.475

일반적으로 HLB 값이 낮을수록 친유성이 강하고, 높을수록 친수성이 강하다. HLB 값에 따라 계면활성제의 수용성, 발포성, 소포성, 세정성, 유화성, 습윤성, 침투성 등이 달라진다.

2. 1. 1. HLB 값에 따른 계면활성제의 용도

HLB 값에 따라 계면활성제의 용도를 예측할 수 있다.

1~3 : 소포제^[7]
3~6 : 유중수적형(W/O) 유화제
7~9 : 습윤 및 확산제^[7]
8~16 : 수중유적형(O/W) 유화제
13~16 : 세제^[7]
16~18 : 가용화제 또는 향수성 물질^[7]

3. HLB 계산법

계면활성제의 HLB 값은 다양한 방법으로 계산할 수 있다. 대표적인 방법으로는 그리핀(Griffin)의 계산법, 데이비스(Davies)의 계산법, 가와카미의 계산법 등이 있다.

3. 1. 그리핀의 계산법 (Griffin's method)

1954년 그리핀이 제안한 비이온성 계면활성제의 HLB 계산법은 다음과 같다.

:HLB^영어 = 20 * M_h / M

여기서 M_h는 분자 친수성 부분의 분자량이고, M은 전체 분자의 분자량이다. 이 식을 통해 계산하면 0부터 20 사이의 값이 나온다. HLB 값이 0이면 완전한 친유성/소수성 분자이며, HLB 값이 20이면 완전한 친수성/소유성 분자임을 의미한다.

HLB 값에 따른 계면활성제 분자의 특성은 다음과 같다.^[7]^[2]

HLB 값	특성
10 이하	지용성(소수성)
10 이상	수용성(지질 불용성)
1~3	소포제
3~6	유중 수적형(W/O) 유화제
7~9	습윤 및 확산제
13~16	세정제
8~16	수중 유적형(O/W) 유화제
16~18	가용화제 혹은 향수성 물질

그리핀은 각 화합물에 대해 다음과 같은 세 가지 관계식을 제시했다.

다원자 알코올과 지방산의 에스테르 (Span 계열):

:HLB^영어 = 20 * (1 - S/A)

::(S: 에스테르의 검화값, A: 지방산의 산가)

분자 내에 폴리옥시에틸렌 사슬을 포함하는 경우 (Tween 계열):

:HLB^영어 = (E + P) / 5

::(E: 폴리옥시에틸렌 사슬의 중량 분율, P: 다원자 알코올기의 중량 분율)

친수기로 폴리옥시에틸렌 사슬만을 포함하는 경우 (Peregal 계열, Igepal 계열):

:HLB^영어 = E / 5

::(E: 폴리옥시에틸렌 사슬의 중량 분율)

3. 2. 데이비스의 계산법 (Davies' method)

1957년 데이비스(Davies)는 분자의 화학 그룹을 기반으로 HLB 값을 계산하는 방법을 제안했다.^[9] 이 방법은 친수성 그룹의 강약 효과를 고려한다는 장점이 있다. 계산식은 다음과 같다.^[4]

:

HLB = 7 + \sum_{i \mathop=1}^{m}H_i - n \times 0.475

여기서

$m$ : 분자 내 친수성 그룹의 수
$H_i$ : $i$ 번째 친수성 그룹의 값 (아래 표 참조)
$n$ : 분자 내 친유성 그룹의 수

친수성 그룹의 값은 다음과 같다.

친수성 그룹	그룹 번호
-SO₄⁻Na⁺	38.7
-COO⁻K⁺	21.1
-COO⁻Na⁺	19.1
N (3급 아민)	9.4
에스터 (소르비탄 고리)	6.8
에스터 (자유)	2.4
-COOH	2.1
하이드록실 (자유)	1.9
-O-	1.3
하이드록실 (소르비탄 고리)	0.5

친유성 그룹의 값은 다음과 같다.

친유성 그룹	그룹 번호
-CH-	-0.475
-CH₂-	-0.475
CH₃-	-0.475
=CH-	-0.475

3. 3. 가와카미의 계산법 (Kawakami's method)

가와카미 야소타는 분자의 친수기, 친유기의 분자량에 따라 다음과 같은 실험식으로 HLB 값을 산출하는 방법을 제시했다.

: HLB = 7 + 11.7 log (M_w / M_o)

여기서, M_w는 친수기의 분자량, M_o는 친유기의 분자량이다.

참조

_[1] 웹사이트 Hydrophile-Lipophile Balance Value - an overview https://www.scienced[...] 2022-11-23
_[2] 논문 Classification of Surface-Active Agents by 'HLB' http://journal.sccon[...] 2013-05-25
_[3] 논문 Calculation of HLB Values of Non-Ionic Surfactants http://journal.sccon[...] 2013-05-25
_[4] 간행물 A quantitative kinetic theory of emulsion type, I. Physical chemistry of the emulsifying agent http://www.firp.ula.[...] Proceedings of the International Congress of Surface Activity 2013-05-25
_[5] 서적 화학대사전 4 共立出版
_[6] 웹사이트 Hydrophile-Lipophile Balance Value - an overview https://www.scienced[...] 2023-11-11
_[7] 논문 Classification of Surface-Active Agents by 'HLB' http://journal.sccon[...]
_[8] 논문 Calculation of HLB Values of Non-Ionic Surfactants http://journal.sccon[...]
_[9] 간행물 A quantitative kinetic theory of emulsion type, I. Physical chemistry of the emulsifying agent http://www.firp.ula.[...] Proceedings of the International Congress of Surface Activity 2019-07-25

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