Як працює емульгатор: емульсії O/W і W/O та HLB простими словами

Емульгатор дозволяє змішати воду й олію в стабільну суміш: він розміщується на межі двох фаз і не дає краплям знову зливатися. Тип емульсії, O/W чи W/O, залежить насамперед від емульгатора, а HLB це число, яке показує, до якої фази він тяжіє.

Що робить емульгатор

Емульгатор виконує дві окремі дії. Перша: він допомагає утворитися емульсії, полегшує її приготування, дає дрібніші краплі й підтримує стабільність. Друга: він визначає тип емульсії, O/W чи W/O. Так це описав Вільям Гріффін з американської компанії Atlas Powder у статті 1949 року. Це першоджерело системи HLB, про яку йдеться нижче. Без емульгатора міжфазний натяг між мінеральною олією та водою становить близько 45 дин/см, а з відповідним емульгатором падає майже до нуля. Тому суміш води й олії без емульгатора швидко розшаровується.

Емульсії O/W і W/O

В емульсії одна рідина розподілена краплями (дисперсна фаза), а друга утворює безперервне середовище. У O/W емульсії краплі олії плавають у воді, у W/O краплі води розподілені в олії.

Таблиця 1. Порівняння емульсій O/W і W/O. 

Що визначає тип емульсії

Бенкрофт у 1913 році писав, що це залежить від природи емульгатора: теоретично можна емульгувати бензол у воді одним емульгатором, а воду в бензолі іншим. Його формулювання через поверхневий натяг таке: якщо натяг між рідиною A та емульгатором нижчий, ніж між рідиною B та емульгатором, то A стає безперервною фазою, а B краплями. Наслідок: водний колоїд схиляє до того, що вода стає зовнішньою фазою. Коротко це переказують так: безперервною стає фаза, в якій емульгатор розчиняється краще. Частка олії в рецептурі тип не задає.

Приклад із першоджерела: ланолін Бенкрофт описує як емульсію, де вода є дисперсною фазою, тобто W/O.

Як визначити тип емульсії вдома

Усі прості тести показують, яка фаза зовнішня:

1. Розведення. Невелику краплю крему обережно розмішують у воді. O/W емульсія розходиться, і вода мутніє, як молоко. W/O емульсія у воді тримається грудкою або плаває плівкою. В олії результат протилежний: розходиться W/O, а O/W лишається грудкою. Швидкість розподілу залежить від щільності крему: легкий лосьйон розходиться майже одразу, а щільний крем із великою часткою воску чи жирних спиртів може розходитися повільніше. Тому дайте кремові кілька хвилин, а якщо результат неочевидний, повторіть тест у другому середовищі й порівняйте.
2. Барвник. Якщо водорозчинний барвник розподіляється рівномірно, емульсія O/W, а якщо олієрозчинний, то W/O.
3. Електропровідність. Струм проходить через O/W емульсію, а через W/O ні. Для цього потрібен прилад.

Щільний O/W крем із великою кількістю твердих компонентів у воді може виглядати як грудка, навіть якщо його зовнішня фаза водна. Тому надійніше поєднувати два тести, наприклад розведення у воді та барвник. Тести показують лише зовнішню фазу, тож у множинних емульсіях W/O/W вони не описують всю структуру.

Ліворуч: O/W (олія у воді), крем розходиться у воді, вода мутніє. Праворуч: W/O (вода в олії), крем тримається грудкою. Ілюстрація.

Ліворуч: O/W (олія у воді), крем тримається грудкою. Праворуч: W/O (вода в олії), крем розходиться в олії. Ілюстрація.

Таблиця 2. Підсумок двох тестів.

Що таке HLB

HLB (ГЛБ, гідрофільно-ліпофільний баланс) виражає відносну одночасну спорідненість емульгатора до води й до олії. Система з'явилась у виданні компанії Atlas Powder 1948 року, а у статті 1949 року Гріффін пояснив її походження. Ліпофільному емульгатору присвоюють низьке число, гідрофільному високе. Середина шкали лежить приблизно біля 10, а присвоєні значення сягали від 1 до 40.

Таблиця 3. Діапазони HLB за Гріффіним, 1949. 

За його спостереженнями, найпоширеніші O/W емульгатори мали HLB від 9 до 12. Значення для нових емульгаторів Гріффін визначав дослідно, порівнюючи їхню поведінку в серіях емульгувань з агентами відомого HLB.

Як HLB допомагає підібрати емульгатор

У промисловості емульгатори майже завжди використовують сумішшю, найефективнішою зазвичай виявляється суміш ліпофільного й гідрофільного. Значення HLB суміші адитивні. Приклад Гріффіна: три частини емульгатора з HLB 8 та одна частина з HLB 16 дають суміш з HLB 10 (три чверті від 8 плюс чверть від 16).

Кожна олія потребує певного HLB, щоб добре емульгуватись. Його називають потрібним HLB олії. Гріффін для O/W емульсій навів такі значення (оцінки 1949 року для тогочасних продуктів):

Таблиця 4. Потрібний HLB для O/W емульсій, оцінки Гріффіна 1949 року. 

Для сучасних рослинних олій потрібне значення дивіться в технічному листі постачальника.

Потрібний HLB суміші олій рахують як середнє зважене. Приклад із першоджерела: олійна фаза з 10% бджолиного воску (15), 53% мінеральної олії (10) і 37% гідрогенізованої рослинної олії (9) дає 1,5 + 5,3 + 3,3 ≈ 10,1. Найкращою в його дослідах виявилась суміш Span 60 і Tween 60 приблизно 45 до 55, з розрахунковим HLB близько 10.

Чого HLB не каже

Гріффін сам зазначав, що HLB показує, який тип емульсії очікувати, але не говорить про загальну ефективність емульгатора. Хімічний тип число не визначає, а два емульгатори з однаковим HLB можуть мати різну розчинність. Значення чутливе до домішок: сліди багатовалентних іонів повністю змінюють HLB мила. Додавання поліолу у водну фазу помітно його не змінювало.

Сучасні природні емульгатори працюють інакше. Для алкілполіглюкозидів основним механізмом фізичної стабілізації є ламелярні рідкокристалічні й гелеві фази, тому для них важливіші рекомендації виробника з технічного листа: дозування, температура нагріву, тип емульсії.

Що ще впливає на стабільність

Бенкрофт ще у 1913 році сформулював: за інших однакових умов емульсія тим стабільніша, чим менші краплі, а все, що руйнує плівку навколо крапель або нейтралізує їхній заряд, знижує стабільність. Гріффін додав, що ступінь емульгування зростає зі збільшенням кількості емульгатора лише до певної межі, а далі додавання не покращує й не погіршує емульсію.

Нестабільність проявляється як кремування, флокуляція, коалесценція, оствальдівське дозрівання та інверсія фаз. У дослідженні Cosmetics 2025 року з воском-емульгатором при 3% емульгуючого воску та зберіганні при 40 °C емульсії з двома з трьох олій розшарувалися протягом 30 днів (стандартний спосіб приготування), а зразки з мінеральною олією лишалися стабільними. Потрібна кількість емульгатора залежить від олії. Автори також показали, що довше емульгування дає дрібніші краплі. Дослідження виконали співробітники компанії-виробника воску, це варто пам'ятати.

Які бувають емульгатори

За оглядом патентів 2013-2023 років, серед нових емульгаторів переважали природного походження, далі йшли полімерні, синтетичні та сполуки з визначеною молекулою. Це вибірка з 51 патенту, 86% яких походять з Китаю, тож це не опис ринку. Про вибір системи під вашу олію та pH читайте в наступній статті.

Застереження для тих, хто виготовляє косметику самостійно

• Емульсія містить воду, тому їй потрібна система консервації. Емульгатор не є консервантом. Дозування й pH консерванту перевірте у нашому калькуляторі, а ефективність консервації підтверджує лише challenge-тест за ISO 11930.
• Дозування й температуру нагріву беріть з технічного листа конкретного емульгатора.
• Позначка натуральний не означає гіпоалергенний. Перед регулярним застосуванням готового засобу зробіть тест на чутливість.
• Матеріал має освітній характер і не є лікувальною рекомендацією.

FAQ

Чи можна зробити крем без емульгатора? Суміш води й олії розшаровується, тому стабільність забезпечує емульгатор або структурувальні компоненти, які виконують його функцію.

Що означає HLB на етикетці емульгатора? Це число, що показує баланс гідрофільної й ліпофільної частин молекули: за ним підбирають емульгатор під тип емульсії та олію.

Як зрозуміти, що вийшла O/W емульсія? Крапля крему розходиться у воді й мутнить її, а водорозчинний барвник рівномірно фарбує масу. Щільний крем може розходитися повільніше, тому дайте йому кілька хвилин.

Чому крем розшарувався, хоча я додала емульгатор? Причин кілька: недостатня кількість емульгатора для вашої олії, неправильна температура, коротке гомогенізування. Діагностика за симптомами буде в окремій статті.

Чи потрібно рахувати HLB для натуральної косметики? Для класичних емульгаторів це орієнтир, а для сучасних натуральних систем зазвичай достатньо рекомендацій виробника.

Джерела

«Classification of Surface-Active Agents by HLB», Journal of the Society of Cosmetic Chemists, 1949, 1(5), 311-326

«The Theory of Emulsification, V», The Journal of Physical Chemistry, ACS, 1913, 17(6), 501-519

«The Theory of Emulsification, VI», The Journal of Physical Chemistry, ACS, 1915, 19(4), 275-309

«Innovative Emulsifiers in Cosmetic Products: A Patent Review (2013-2023)», ACS Omega, 2024, 9(50), 48884-48898

«Investigating the Behavior of a Natural Emulsifier in One-Pot and Standard Cosmetic Emulsions», Cosmetics, MDPI, 2025, 12(4), 164

«Natural Emulsifiers of the Alkyl Polyglucoside Type and Their Influence on the Permeation of Drugs», Springer

Віталіна Різник, провізор-косметолог, трихолог, оцінювач безпечності косметичної продукції, засновниця GoldenHair (GreenHealth), керівник всеукраїнського порталу з ароматерапії та косметології Aroma-Vita.