Как работает эмульгатор: эмульсии O/W и W/O и HLB простыми словами

Эмульгатор позволяет смешать воду и масло в стабильную смесь: он размещается на границе двух фаз и не даёт каплям снова сливаться. Тип эмульсии, O/W или W/O, зависит прежде всего от эмульгатора, а HLB это число, которое показывает, к какой фазе он тяготеет.

Что делает эмульгатор

Эмульгатор выполняет два отдельных действия. Первое: он помогает образованию эмульсии, облегчает её приготовление, даёт более мелкие капли и поддерживает стабильность. Второе: он определяет тип эмульсии, O/W или W/O. Так это описал Уильям Гриффин из американской компании Atlas Powder в статье 1949 года. Это первоисточник системы HLB, о которой речь пойдёт ниже. Без эмульгатора межфазное натяжение между минеральным маслом и водой составляет около 45 дин/см, а с подходящим эмульгатором падает почти до нуля. Поэтому смесь воды и масла без эмульгатора быстро расслаивается.

Эмульсии O/W и W/O

В эмульсии одна жидкость распределена каплями (дисперсная фаза), а вторая образует непрерывную среду. В O/W эмульсии капли масла плавают в воде, в W/O капли воды распределены в масле.

Таблица 1. Сравнение эмульсий O/W и W/O. 

Что определяет тип эмульсии

Уайлдер Бенкрофт из Корнельского университета в 1913 году писал, что это зависит от природы эмульгатора: теоретически можно эмульгировать бензол в воде одним эмульгатором, а воду в бензоле другим. Его формулировка через поверхностное натяжение такова: если натяжение между жидкостью A и эмульгатором ниже, чем между жидкостью B и эмульгатором, то A становится непрерывной фазой, а B каплями. Следствие: водный коллоид склоняет к тому, что вода становится внешней фазой. Коротко это пересказывают так: непрерывной становится фаза, в которой эмульгатор растворяется лучше. Доля масла в рецептуре тип не задаёт.

Пример из первоисточника: ланолин Бенкрофт описывает как эмульсию, где вода является дисперсной фазой, то есть W/O.

Как определить тип эмульсии дома

Все простые тесты показывают, какая фаза внешняя:

1. Разведение. Небольшую каплю крема аккуратно размешивают в воде. O/W эмульсия растекается, и вода мутнеет, как молоко. W/O эмульсия в воде держится комком или плавает плёнкой. В масле результат противоположный: растекается W/O, а O/W остаётся комком. Скорость распределения зависит от плотности крема: лёгкий лосьон растекается почти сразу, а плотный крем с большой долей воска или жирных спиртов может растекаться медленнее. Поэтому дайте крему несколько минут, а если результат неочевиден, повторите тест во второй среде и сравните.
2. Краситель. Если водорастворимый краситель распределяется равномерно, эмульсия O/W, а если маслорастворимый, то W/O.
3. Электропроводность. Ток проходит через O/W эмульсию, а через W/O нет. Для этого нужен прибор.

Плотный O/W крем с большим количеством твёрдых компонентов в воде может выглядеть как комок, даже если его внешняя фаза водная. Поэтому надёжнее сочетать два теста, например разведение в воде и краситель. Тесты показывают только внешнюю фазу, поэтому во множественных эмульсиях W/O/W они не описывают всю структуру.

Слева: O/W (масло в воде), крем растекается в воде, вода мутнеет. Справа: W/O (вода в масле), крем держится комком. Иллюстрация.

Слева: O/W (масло в воде), крем держится комком. Справа: W/O (вода в масле), крем растекается в масле. Иллюстрация.

Таблица 1. Итог двух тестов. 

Что такое HLB

HLB (ГЛБ, гидрофильно-липофильный баланс) выражает относительное одновременное сродство эмульгатора к воде и к маслу. Систему разработали в компании Atlas Powder: она появилась в издании компании 1948 года, а Гриффин в статье 1949 года объяснил её происхождение. Липофильному эмульгатору присваивают низкое число, гидрофильному высокое. Середина шкалы лежит примерно около 10, а присвоенные значения доходили от 1 до 40.

Таблица 3. Диапазоны HLB по Гриффину, 1949. 

По его наблюдениям, самые распространённые O/W эмульгаторы имели HLB от 9 до 12. Значения для новых эмульгаторов Гриффин определял опытным путём, сравнивая их поведение в сериях эмульгирования с агентами известного HLB.

Как HLB помогает подобрать эмульгатор

В промышленности эмульгаторы почти всегда используют смесью, самой эффективной обычно оказывается смесь липофильного и гидрофильного. Значения HLB смеси аддитивны. Пример Гриффина: три части эмульгатора с HLB 8 и одна часть эмульгатора с HLB 16 дают смесь с HLB 10 (три четверти от 8 плюс четверть от 16).

Каждому маслу требуется определённый HLB, чтобы хорошо эмульгироваться. Его называют требуемым HLB масла. Гриффин для O/W эмульсий привёл такие значения (оценки 1949 года для тогдашних продуктов):

Таблица 4. Требуемый HLB для O/W эмульсий, оценки Гриффина 1949 года. Файл: table_4_required_hlb_ru.png

Для современных растительных масел нужное значение смотрите в техническом листе поставщика.

Требуемый HLB смеси масел считают как средневзвешенное. Пример из первоисточника: масляная фаза из 10% пчелиного воска (15), 53% минерального масла (10) и 37% гидрогенизированного растительного масла (9) даёт 1,5 + 5,3 + 3,3 ≈ 10,1. Лучшей в его опытах оказалась смесь Span 60 и Tween 60 примерно 45 к 55, с расчётным HLB около 10.

Чего HLB не говорит

Гриффин сам отмечал, что HLB показывает, какой тип эмульсии ожидать, но не говорит об общей эффективности эмульгатора. Химический тип число не определяет, а два эмульгатора с одинаковым HLB могут иметь разную растворимость. Значение чувствительно к примесям: следы многовалентных ионов полностью меняют HLB мыла. Добавление полиола в водную фазу заметно его не меняло.

Современные природные эмульгаторы работают иначе. Для алкилполиглюкозидов основным механизмом физической стабилизации являются ламеллярные жидкокристаллические и гелевые фазы, поэтому для них важнее рекомендации производителя из технического листа: дозировка, температура нагрева, тип эмульсии.

Что ещё влияет на стабильность

Бенкрофт ещё в 1913 году сформулировал: при прочих равных условиях эмульсия тем стабильнее, чем мельче капли, а всё, что разрушает плёнку вокруг капель или нейтрализует их заряд, снижает стабильность. Гриффин добавил, что степень эмульгирования растёт с увеличением количества эмульгатора лишь до определённого предела, а дальше добавление не улучшает и не ухудшает эмульсию.

Нестабильность проявляется как кремование, флокуляция, коалесценция, оствальдово созревание и инверсия фаз. В исследовании Cosmetics 2025 года с воском-эмульгатором при 3% эмульгирующего воска и хранении при 40 °C эмульсии с двумя из трёх масел расслоились в течение 30 дней (стандартный способ приготовления), а образцы с минеральным маслом оставались стабильными. Нужное количество эмульгатора зависит от масла. Авторы также показали, что более длительное эмульгирование даёт более мелкие капли. Исследование выполнили сотрудники компании-производителя воска, это стоит помнить.

Какие бывают эмульгаторы

По обзору патентов 2013-2023 годов, среди новых эмульгаторов преобладали природного происхождения, далее шли полимерные, синтетические и соединения с определённой молекулой. Это выборка из 51 патента, 86% которых происходят из Китая, так что это не описание рынка. О выборе системы под ваше масло и pH читайте в следующей статье.

Предупреждения для тех, кто изготавливает косметику самостоятельно

• Эмульсия содержит воду, поэтому ей нужна система консервации. Эмульгатор не является консервантом. Дозировку и pH консерванта проверьте в нашем калькуляторе, а эффективность консервации подтверждает только challenge-тест по ISO 11930.
• Дозировку и температуру нагрева берите из технического листа конкретного эмульгатора.
• Пометка натуральный не означает гипоаллергенный. Перед регулярным применением готового средства сделайте тест на чувствительность.
• Материал носит образовательный характер и не является лечебной рекомендацией.

FAQ

Можно ли сделать крем без эмульгатора? Смесь воды и масла расслаивается, поэтому стабильность обеспечивает эмульгатор или структурирующие компоненты, которые выполняют его функцию.

Что означает HLB на этикетке эмульгатора? Это число, показывающее баланс гидрофильной и липофильной частей молекулы: по нему подбирают эмульгатор под тип эмульсии и масло.

Как понять, что получилась O/W эмульсия? Капля крема растекается в воде и мутнит её, а водорастворимый краситель равномерно окрашивает массу. Плотный крем может растекаться медленнее, поэтому дайте ему несколько минут.

Почему крем расслоился, хотя я добавила эмульгатор? Причин несколько: недостаточное количество эмульгатора для вашего масла, неправильная температура, короткая гомогенизация. Диагностика по симптомам будет в отдельной статье.

Нужно ли считать HLB для натуральной косметики? Для классических эмульгаторов это ориентир, а для современных натуральных систем обычно достаточно рекомендаций производителя.

Источники

«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

Автор: Виталина Резник, провизор-косметолог, трихолог, оценщик безопасности косметической продукции, основательница GoldenHair (GreenHealth), руководитель всеукраинского портала по ароматерапии и косметологии Aroma-Vita.