유화제 배합의 첫 번째 이정표: Griffin 질량비와 Davies 작용기 기여도 비교

물과 기름을 섞을 때 계면활성제 하나보다 두 개를 섞어 쓰는 이유, 그리고 Griffin 식과 Davies 식이 서로 다른 숫자를 내놓을 때 어떻게 읽어야 하는지 정리했습니다.

VISUAL NOTE 09 · HLB SPECTRUM (0–20) & EMULSION MATCHINGGriffin: 20 × M_h / M · Davies: 7 + ΣH_i − 0.475×n

HLB 값에 따른 계면활성제 기능 스펙트럼 (Griffin 0–20 척도)

1.5 – 3.0소포제 (Antifoam)

3.5 – 6.0W/O 유화제

7.0 – 9.0습윤·분산제

8.0 – 16.0O/W 유화제

13.0 – 15.0세정제 (Detergent)

15.0 – 18.0+가용화제 (Solubilizer)

Griffin 식 (비이온성 · 분자량 기반)

친수기 분자량 비중(20 × M_h / M)으로 0~20 구간을 직관적으로 매핑합니다. 폴리옥시에틸렌·소르비탄 에스테르(Span/Tween) 블렌딩에 표준적으로 쓰입니다.

Davies 식 (작용기 기여도 합산)

친수성 기(-SO4Na +38.7, -COOK +21.1 등)와 친유성 탄소수(-0.475 × n)를 더해 이온성 계면활성제까지 비교할 수 있으나 20을 넘는 값이 나올 수 있습니다.

1. 왜 단일 유화제보다 혼합 유화제를 먼저 검토할까

유화(Emulsification) 배합을 잡을 때 유상(Oil Phase)이 요구하는 소요 HLB(Required HLB)와 정확히 일치하는 단일 계면활성제를 찾기란 쉽지 않습니다. 그래서 실무에서는 친유성이 강한 저HLB 유화제(예: Span 80, HLB 4.3)와 친수성이 강한 고HLB 유화제(예: Tween 80, HLB 15.0)를 질량비로 섞어 목표 HLB에 맞춥니다.

두 유화제를 섞으면 단순히 평균 숫자만 맞춰지는 것이 아니라, 계면에서 긴 사슬과 짧은 사슬이 교차 배열되며 계면막의 조밀도가 높아지는 시너지가 자주 관찰됩니다. 혼합 HLB의 1차 근사식은 각 유화제의 질량 분율(w_i)을 가중 평균한 값입니다.

HLB_mix = Σ(w_i × HLB_i) / Σw_i

2. Griffin 식과 Davies 식이 갈라지는 지점

Griffin(1949·1954)의 정의는 비이온성 계면활성제에서 분자 전체 분자량(M) 중 친수기 분자량(M_h)이 차지하는 비율에 20을 곱한 값입니다.[1]

HLB_Griffin = 20 × (M_h / M)

따라서 Griffin 식의 결과는 구조적으로 0에서 20 사이에 놓입니다. 에톡실레이트 계열이나 다가알코올 지방산 에스테르를 비교할 때 직관적이고 일관된 척도를 제공합니다.

반면 이온성 계면활성제(예: 소듐라우릴설페이트 SLS, 비누류)는 전하의 해리 효과 때문에 분자량 비율만으로 친수성을 설명할 수 없습니다. Davies(1957)는 분자를 이루는 작용기마다 친수성 기여치(H_i)와 친유성 탄소 사슬 기여치(−0.475 × n)를 부여해 더하는 방식을 제안했습니다.[2]

HLB_Davies = 7 + Σ(친수기 기여치) − 0.475 × (친유성 CH₂/CH₃ 개수)

이 식 덕분에 황산염(-SO₄Na, +38.7)이나 카복실산염(-COOK, +21.1)의 강한 친수성을 정량화할 수 있지만, 결과값이 20을 훌쩍 넘기기도 합니다(예: SLS는 약 40). 따라서 Griffin 표의 기준과 Davies 계산값을 같은 선상에서 단순 내삽하면 배합비가 어긋납니다.

3. 계산기가 답해주지 않는 현장 변수

혼합 HLB가 유상의 소요 HLB와 일치한다는 것은 '상온·기본 조성에서 탐색을 시작할 만한 후보 비율'을 찾았다는 뜻입니다. 실제 유화 안정성은 다음 변수에 의해 크게 흔들립니다.

상전이 온도(PIT): 비이온성 에톡실레이트 유화제는 온도가 올라가면 수소결합이 약해져 친유성으로 기울어집니다.
전해질과 pH: 수상에 염(NaCl 등)이나 산·염기가 들어가면 이온성 유화제의 전기이중층 두께가 줄어들어 응집이 빨라집니다.
전단 에너지와 투입 순서: 같은 조성이라도 호모믹서 회전수, 수상·유상 온도, 전상 유화 여부에 따라 액적 크기 분포가 달라집니다.

4. 도구에서 바로 비교해 보는 순서

HLB 계산기에서는 목표 유상의 소요 HLB를 먼저 고르고, 보유한 유화제 A·B를 선택해 몇 대 몇 질량비로 섞어야 목표치에 도달하는지 즉시 역산할 수 있습니다. 계산된 중심 비율을 기준으로 좌우 ±5~10% 구간의 소규모 병 시험(Bottle Test)을 설계하는 것이 가장 시행착오를 줄이는 방법입니다.

참고 문헌과 해석 범위

[1] Griffin, W. C. (1949). Classification of Surface-Active Agents by "HLB". Journal of the Society of Cosmetic Chemists, 1(5), 311–326.
비이온성 계면활성제의 친수성-친유성 균형(0–20) 개념을 정립한 고전 문헌입니다.
[2] Davies, J. T. (1957). A quantitative kinetic theory of emulsion type, I. Physical chemistry of the emulsifying agent.
작용기별 친수·친유 기여도 합산식(7 + ΣH_i − 0.475n)을 제안한 문헌입니다.