亲水亲油平衡
3 五月 2011 表面活性剂科学连接了三个学科：化学、物理学和生物学。表面活性剂功能复杂，但表面活性剂分子的基本化学结构简单。所有表面活性剂分子都具有至少一个亲水亲水基团和至少一个亲油亲油基团。当表面活性剂聚结、吸附到表面并改变表面活性时，这种两亲性质赋予了表面活性剂惊人的特性。表面活性剂在性质上可以是非离子的或离子的，这取决于它们在水中的电离和离解。
离子表面活性剂是水溶性的，但非离子表面活性剂的溶解度取决于亲油基团和亲水基团（通常是聚氧乙烯链）的大小和平衡。一般来说，聚氧乙烯链越长，水溶性越高。长聚氧乙烯链不增加溶解度的一个重要例外是在浓盐溶液中，例如在浓草甘膦配方中出现的那些。亲水基团和亲油基团的平衡通常是决定表面活性剂性能的最重要的表面活性剂性质。
表面活性剂研究的一个重要目标一直是设计将化学结构与功能联系起来的方法。例如，水和油通常不会自发地相互溶解，但表面活性剂可以降低水和油之间的界面张力，使水和油相互乳化。 WC Griffin 于 1949 年创建了 HLB（亲水-亲油平衡）系统，作为量化这种表面活性剂特性并帮助配方科学家选择最佳乳化剂的简单工具。亲水-亲油平衡是亲水和亲油基团分子平衡的经验表达式。
化学家使用几种方法来确定 HLB 值。 Griffin 方法是最常用的方法，它计算非离子表面活性剂的 HLB 为亲水性分子在分子量基础上的百分比除以 5。例如，60% 亲水性表面活性剂的 HLB 为 12。几年后Griffin, JT Davis 创建了一种将 HLB 的计算扩展到离子表面活性剂的方法。 Davis 系统根据不同的化学基团的亲水性或亲油性效力，为它们分配正或负数值。表面活性剂的 HLB 值等于 7 加上亲水基团和亲油基团的指定值之和。
对于戴维斯系统未涵盖的各种表面活性剂化学，HLB 也可以通过实验确定。具有未知 HLB 值的表面活性剂的 HLB 值可以与具有已知 HLB 值的表面活性剂标准进行比较，或通过观察表面活性剂在水中的分散情况来估计（无分散 = 1 至 3；分散差 = 3 至 6；不稳定的乳状分散 = 6 至 8 ；稳定的乳状分散体 = 8 至 10；半透明至透明分散体 = 10 至 13；透明溶液 > 13)。
HLB 值是一种量化表面活性剂两亲性质的简单方法。正如表面活性剂具有 HLB“数值”一样，它们的应用也经常具有 HLB“数值要求”。获得良好的性能通常只需将表面活性剂的 HLB 与应用的 HLB 要求相匹配即可。一些研究人员正确地批评 HLB 过于简单化。 HLB 测定和应用要求因温度、压力和溶剂环境而异。例如，在水中，亲水基团在水中充当增溶剂，而亲脂基团在非极性溶剂中充当增溶剂。
HLB 也不考虑亲水或亲油部分的性质或实际大小 - 仅考虑它们的相对大小。与较小的表面活性剂具有相同 HLB 值的大型表面活性剂将表现不同。表面活性剂混合物的性能也与具有相同 HLB 值的纯表面活性剂不同。对于乳化，表面活性剂的混合物通常效果最好，亲油部分需要很大，至少 14 个碳原子。因此，虽然所有乳化剂都是表面活性剂，但并非所有表面活性剂都是乳化剂。
| 表 1：将表面活性剂 HLB 与表面活性剂应用相匹配的一般指南 | |
| 应用 | HLB 范围 |
| 混合不同的油 | 1到3 |
| 油包水乳液 | 4 至 11 |
| 消泡剂 | 4到8 |
| 润湿 | 7 至 12 |
| 自乳化油 | 7到10 |
| 水包油乳液 | 10 至 16 |
| 洗涤剂 | 12 至 15 |
| 溶解油和微乳液 | 13 至 18 |
| 稳定剂 | 16 至 20 |
表 1 提供了将表面活性剂 HLB 值与表面活性剂应用相匹配的一般指南。在HLB值低于9的亲油性表面活性剂分子中，亲油性部分大于亲水性部分并趋于占主导地位。在HLB值大于11的亲水性表面活性剂分子中，亲水部分大于亲油部分，且往往占主导地位。 HLB 值在 9 到 11 之间的表面活性剂分子在性质上属于中间值。
表面活性剂 HLB 强烈影响叶面除草剂的功效。例如，亲水性表面活性剂比亲油性表面活性剂更能增加水溶性除草剂的活性，而亲油性表面活性剂比亲水性表面活性剂更能增加水不溶性除草剂的吸收。有时这种相关性可能是戏剧性的。通过改变壬基酚表面活性剂上 EO 单元的数量来改变 HLB 值强烈影响除草剂对杂草大狗尾草的活性。低 HLB 表面活性剂最适用于水不溶性除草剂，如氟唑草磷，而高 HLB 表面活性剂最适用于水溶性除草剂，如草甘膦。
改变溶液的 pH 值可以改变弱酸性除草剂的溶解度。当高 pH 值导致除草剂分子去质子化并形成水溶性离子时，高 HLB 表面活性剂的效果最好。当低 pH 值导致除草剂分子质子化并呈难溶的中性形式时，低 HLB 表面活性剂效果最佳。当除草剂具有中等水溶性时，具有中等 HLB 值的表面活性剂最有效。匹配除草剂和表面活性剂的物理化学性质对于优化生物活性至关重要。
提高农药效力还取决于亲水和亲油基团的类型和大小。例如，当亲脂部分是脂肪族伯胺时，草甘膦通过分离的角质层的吸收量更大，而当它是脂肪族醇时，草甘膦的吸收量则更少。对于磺酰脲类除草剂，较大的亲脂基团可以减少生物效力所需的表面活性剂的量。高 EO 表面活性剂可以增加水溶性除草剂在植物角质层中的水合状态和扩散。低 EO 表面活性剂不会增加水合作用，但会更好地进入和穿过角质层。
已经开发了其他方法来尝试改进 Griffin 起源的 HLB 系统。例如，一个可比较的数字计算为 H/L = (EO 数 x 100)/亲油体中的 C 原子数。其他方法使用内聚能量密度和分子几何学。相转化温度 (PIT) 系统可能是选择乳化剂时使用最广泛的竞争系统。然而，即使经过 60 年和许多限制，Griffin 的 HLB 仍然是预测表面活性剂性能最常用的表面活性剂特性。
农药施用者几乎从不知道他们施用的表面活性剂的 HLB 值——他们依靠专家了解并使用该信息为他们提供性能最佳的产品。农药制剂化学家总是知道他们使用的表面活性剂的 HLB。然而，配方化学家也知道，表面活性剂 HLB 绝不是全部答案。表面活性剂的选择是一个多方面的过程，但从表面活性剂 HLB 开始通常是启动程序以优化性能的最佳方式。
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