Hệ Keo Và Bề Mặt Tiếp Xúc (Phần 2: Chỉ Số HLB Và Micell)

III. CHẤT DIỆN HOẠT

Chất diện hoạt là thành phần quan trọng trong lĩnh vực sản xuất mỹ phẩm, đặc biệt là trong mối quan hệ giữa hệ keo và bề mặt tiếp xúc, chúng có thể tương tác, hấp phụ lên bề mặt tiếp xúc và làm giảm đáng kể sức căng bề mặt. Chất diện hoạt có nhiều ứng dụng, chúng có thể được dùng để: nhũ hóa, hòa tan, làm ẩm và tẩy rửa. Chất diện hoạt đa dạng trên thị trường, nhưng cơ bản được chia thành 2 nhóm dựa theo cấu trúc: thân nước và thân dầu. Chất diện hoạt thân nước có thể được chia thành dạng ion hoặc không ion, trong khi nhóm kị nước thường chứa thành phần hydrocarbon, fluorocarbon, silicone.

1. HLB

Chất diện hoạt chứa cả nhóm thân nước và thân dầu trong công thức, để đánh giá phần nào trội hơn, người ta dựa vào chỉ số HLB. Ở đó, HLB (hydrophilic-lipophilic balance) được gọi là chỉ số cân bằng dầu-nước, có thể từ 0 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 thân dầu.

HLB có thể được tính bằng nhiều công thức khác nhau. Griffin đã thực hiện việc nghiên cứu về các nhũ tương và tính toán chỉ số HLB cho từng chất diện hoạt. Một phương pháp khác được J. T. Davies đề ra, ông tính HLB dựa trên số nhóm thân dầu và thân nước trên 1 chất diện hoạt:

Trong đó: Chỉ số HLB = Tổng giá trị các nhóm thân nước +

Tổng giá trị các nhóm thân dầu + 7

Giá trị các nhóm thân dầu – thân nước được liệt kê trong bảng sau:

Ngoài ra, theo Kawakami thì chỉ số HLB có thể được tính theo khối lượng của các nhóm thân nước và thân dầu, công thức tính như sau:

Trong đó, Mw là khối lượng của các nhóm thân nước, còn Mo là khối lượng của nhóm thân dầu.

Kể từ khi chỉ số HLB cho mỗi thành phần được tính sẵn, việc tính toán HLB của chất nhũ hóa cần để nhũ cho hỗn hợp thành phần thuận tiện hơn rất nhiều. Ví dụ ta có hỗn hợp gồm 10% sáp ong (HLB 15), 53% Paraffin lỏng (HLB 10) và 37% petrolatum (HLB 10,5). Như vậy yêu cầu HLB cần để tạo nhũ tương dạng D/N được tính như sau:

Như vậy, để nhũ hóa hỗn hợp trên, ta cần chất nhũ hóa có chỉ số HLB từ 10-11. Bảng dưới đây cung cấp thông tin về chỉ số HLB cho một số nguyên liệu thô.

Chỉ số HLB rất hiệu quả và thuận tiện trong việc xác định tính chất của chất diện hoạt. Mối liên quan giữa chỉ số HLB và ứng dụng của chất diện hoạt được liệt kê dưới đây:

Trong quá trình nghiên cứu, Shinoda nhận thấy rằng, chỉ số HLB của các chất diện hoạt không ion thay đổi theo nhiệt độ, từ đó ông đề xuất một khá niệm liên quan, được gọi là nhiệt độ HLB. Nhiệt độ HLB là mức nhiệt mà ở đó, tính thân nước và thân dầu của chất diện hoạt được cân bằng. Ở mức nhiệt thấp hơn nhiệt độ HLB, nhũ tương D/N được hình thành, còn ở mức nhiệt cao hơn nhiệt độ HLB, hình thành nhũ tương N/D.

2. Sự hình thành Micell

Khi ở nồng độ loãng, dung dịch các chất diện hoạt có tình chất tương tự như các dung dịch thông thường, tuy nhiên khi tăng chậm dần đến nồng độ nhất định, các phân tử chất diện hoạt này bắt đầu kết tụ lại với nhau, tạo thành hình cầu, trụ hoặc màng với đặc điểm: phần vỏ thân nước và phần lõi thân dầu trong môi trường thân nước, và ngược lại phần vỏ thân dầu, lỗi thân nước trong môi trường thân dầu. Sự hình thành micell cũng như kích thước, số lượng của chúng sẽ phụ thuộc vào chỉ số cân bằng thân dầu – thân nước (HLB) và tính chất từng loại chất diện hoạt.

Cấu trúc phân tử micell

Mức nồng độ của chất diện hoạt tại thời điểm hình thành micell gọi là nồng độ micell tới hạn (CMC), ranh giới này tạo nên nhiều sự thay đổi về đặc tính lý hóa của hệ như thể chất (dung dịch sang dạng keo), sức căng bề mặt, áp suất thẩm thấu, nhiệt độ đông đặc…

Nồng độ micell tới hạn (CMC) có thể xác định bằng cách thay đổi nồng độ của chất diện hoạt, cho đến khi tạo sự thay đổi về thể chất của hệ. CMC được xác định bởi sức mạnh tuyệt đối của các nhóm thân dầu và thân nước.

Trong thực tế, các chất hữu cơ thường không tan trong nước nhưng lại hòa tan trong các micell của các chất diện hoạt được gọi là sự hòa tan hóa. Như vậy, chất diện hoạt được coi như là chất trung gian hòa tan giữa các chất hữu cơ (thân dầu) và dung môi thân nước. Sự hòa tan này phụ thuộc vào số lượng và kích thước các micell, số lượng càng nhiều thì độ hòa tan càng tốt, kích thước micell càng lớn thì các chất hữu cơ hòa tan càng dễ dàng.