冷燙和染色損傷對頭發(fā)手感的影響機理研究

安原原, 吳金丹,b, 王際平,b

(浙江理工大學(xué), a. 材料與紡織學(xué)院; b. 國家紡織與日用化學(xué)國際科技合作基地, 杭州 310018)

冷燙和染色損傷對頭發(fā)手感的影響機理研究

安原原a, 吳金丹a,b, 王際平a,b

(浙江理工大學(xué), a. 材料與紡織學(xué)院; b. 國家紡織與日用化學(xué)國際科技合作基地, 杭州 310018)

頭發(fā)的手感與很多因素相關(guān)。文章以不同來源和不同損傷歷史的頭發(fā)為研究對象,根據(jù)手感評分系統(tǒng)評價其手感,考察了未損傷和損傷的頭發(fā)的手感變化,并通過表征頭發(fā)纖維的化學(xué)組成、表面形貌、吸水性、摩擦系數(shù)和機械性能等性質(zhì),對手感差異的內(nèi)在原因進(jìn)行了詳細(xì)研究。結(jié)果表明:燙染和漂染使頭發(fā)的鱗片層被破壞,斷裂強度下降,導(dǎo)致頭發(fā)手感變差。對不同來源的頭發(fā)進(jìn)行比較,未損傷的歐洲人頭發(fā)比中國人頭發(fā)更加纖細(xì),摩擦系數(shù)小,具有更優(yōu)異的手感。文章的研究將有助于進(jìn)一步理解損傷對頭發(fā)手感變化的影響,為護發(fā)產(chǎn)品的研發(fā)提供理論指導(dǎo)。

頭發(fā)損傷; 手感; 纖維結(jié)構(gòu); 表面形貌; 機械性能

0 引 言

頭發(fā)是人體的重要組成部分,其主要化學(xué)成分是角蛋白,約占80%以上。從結(jié)構(gòu)上分,頭發(fā)主要由毛根和毛干兩部分組成,其中毛干是裸露在皮膚外面的部分,也是日常護理的主要對象。毛干可分為三層:毛小皮、皮質(zhì)層和髓質(zhì)。毛小皮為毛干的最外層,其致密疏水的結(jié)構(gòu)對內(nèi)層構(gòu)造起保護作用[1-2],毛小皮結(jié)構(gòu)的完整程度決定了頭發(fā)健康與否。

隨著生活水平的提高,人們越來越重視頭發(fā)的社會功能,燙發(fā)、染色、頭發(fā)造型等不同美發(fā)方式迅速流行,但同時也對頭發(fā)造成了一定的損傷,破壞其結(jié)構(gòu)與組分的完整程度[3-4]?；瘜W(xué)損傷是引起頭發(fā)損傷的主要因素之一?；瘜W(xué)損傷是指燙發(fā)劑、染發(fā)劑等化學(xué)物質(zhì)與頭發(fā)纖維發(fā)生化學(xué)反應(yīng),從而引起頭發(fā)纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)變化,表觀形貌被破壞而造成的損傷[5]。Inoue等[6]研究結(jié)果表明燙染等不同損傷方式都造成了頭發(fā)蛋白質(zhì)的脫落。徐麗等[7]通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn),經(jīng)常染、燙發(fā)的頭發(fā)表面毛小皮嚴(yán)重脫落,且出現(xiàn)縱向或橫向裂紋,這說明頭發(fā)已經(jīng)受到了嚴(yán)重?fù)p傷。頭發(fā)的各項物化性質(zhì)的變化最直觀的表現(xiàn)就是其手感的改變,反之頭發(fā)的手感也可通過頭發(fā)的物化性質(zhì)進(jìn)行客觀的評價。

影響頭發(fā)手感的因素很多,如頭發(fā)的粗細(xì)、硬度、延伸性、斷裂強度、摩擦性能、含水量等[8]。直徑較粗的頭發(fā)纖維剛度大,手感不佳[9]。頭發(fā)本身含水量的多少也會影響頭發(fā)的手感[10],有一定含水量的頭發(fā)觸之有豐富的飽滿度,失水過多的頭發(fā)則表現(xiàn)為干枯、毛糙。盡管如此,頭發(fā)的微觀結(jié)構(gòu)與物化性質(zhì)對其外在手感的影響方式缺乏系統(tǒng)的研究,因此系統(tǒng)考察兩者之間的關(guān)系具有重要意義。

本文以不同來源和不同損傷方式的4種發(fā)樣為研究模型,探索頭發(fā)損傷前后各項性質(zhì)的變化,理解其對頭發(fā)手感變化的影響,為護發(fā)產(chǎn)品的研發(fā)提供理論指導(dǎo)。

1 實驗方法

1.1 原材料和試劑

選用4種頭發(fā)作為研究對象:發(fā)樣1為未損傷的中國人頭發(fā),發(fā)樣2為冷燙損傷的中國人頭發(fā),發(fā)樣3為未損傷的歐洲人頭發(fā),發(fā)樣4為染色損傷的歐洲人頭發(fā);中國人發(fā)樣采集自浙江周邊地區(qū)健康人群,歐洲人發(fā)樣由寶潔公司提供;丙酮(A.R.)和乙醇(A.R.)購于杭州高晶化學(xué)試劑有限公司。

冷燙發(fā)樣采用冷燙方法:先用巰基乙酸銨還原劑對頭發(fā)進(jìn)行處理,定型后再用3%雙氧水對發(fā)樣進(jìn)行氧化處理,清洗,完成燙發(fā)過程;染色發(fā)樣采用永久性染發(fā)劑,包括染料中間體、偶合劑和氧化劑雙氧水,使用前兩劑混合均勻,在頭發(fā)皮層內(nèi)形成染料大分子,完成染色過程。

1.2 發(fā)樣的預(yù)處理

將發(fā)樣浸入丙酮(浴比為1∶20)清洗2次,每次20 min,去除表面油脂與雜質(zhì)。之后置于通風(fēng)櫥中自然晾干,放置在20℃,65% RH的恒溫恒濕房中備用。

1.3 發(fā)樣性能的評價方法

1.3.1 直徑分布測定

對于中國人和歐洲人兩種發(fā)樣,用千分尺測得頭發(fā)中部的直徑,并記錄數(shù)據(jù),將得到的數(shù)據(jù)繪制成直徑分布圖。

1.3.2 紅外光譜

發(fā)樣的化學(xué)結(jié)構(gòu)由傅里葉紅外光譜儀(AVATAR 5700,Nicolet,美國)表征[11-12]。將干態(tài)下的4組頭發(fā)樣品分別理成一束,壓于晶體表面,用表面衰減全反射(ATR)模式進(jìn)行測定。

1.3.3 表面形貌觀察

發(fā)樣的表面和橫截面形貌由掃描電子顯微鏡JSM-5610 LV(JEOL電子株式會社,日本)測定。頭發(fā)纖維橫截面的制備:利用液氮將頭發(fā)充分冷凍,再利用切片對頭發(fā)進(jìn)行切割。利用導(dǎo)電膠將發(fā)樣固定于銅帽上,噴金后,在1 000倍數(shù)下觀察每組頭發(fā)表面和橫截面的形態(tài)。

發(fā)樣表面的微觀拓?fù)湫蚊灿蒟E-100E型原子力顯微鏡(Park System,韓國)進(jìn)行掃描觀察。將發(fā)樣剪成約1 cm長的若干片段,置于載玻片上,在發(fā)樣上滴加乙醇,待乙醇揮發(fā)完全,發(fā)樣樣品被固定在載玻片上進(jìn)行觀察。

1.3.4 摩擦系數(shù)的測試

發(fā)樣的摩擦系數(shù)采用Y151型纖維摩擦系數(shù)儀進(jìn)行測試。將發(fā)樣剪成約15 cm長,選擇0.2 mg的夾持砝碼固定在樣品兩端,整齊的掛在橡膠棍軸上,調(diào)節(jié)到合適的轉(zhuǎn)速,開始測量。在手控過程中,要注意速度的一致性,最好控制在100/7 s。順著鱗片方向摩擦,記錄實驗數(shù)據(jù)。

1.3.5 力學(xué)性能的測試

發(fā)樣的斷裂強度使用LLY-06E型氣動型電子纖維強力測試機進(jìn)行測量[13-14]。設(shè)置拉伸間隔為40 mm,拉伸速度為20 mm/min。每個發(fā)樣隨機選擇50個平行樣進(jìn)行測試,在得到的數(shù)據(jù)中,各去掉5個最大值和最小值,取剩下40個數(shù)據(jù)的平均值作為該組發(fā)樣的斷裂強度。

1.3.6 吸水膨脹性能和含水量的測試

將發(fā)樣固定于載玻片上,使用KH-7700型數(shù)字三維視頻顯微鏡(HIROX,日本)進(jìn)行動態(tài)觀測。將水滴滴在頭發(fā)表面,每隔20 s拍照保存,共拍攝30 min。圖片用image-pro軟件分析,每張圖片讀取3個直徑數(shù)據(jù)并計算平均值作為此刻發(fā)樣的直徑d。吸水膨脹率E和初始膨脹速率V分別由式(1)、(2)計算得到:

E=(d1-d0)/d0×100%

(1)

V=(d′-d0)/100

(2)

其中:d1為初始直徑,d′為100 s時發(fā)樣的直徑。

稱取4種發(fā)樣適量,浸泡在水中達(dá)到吸水平衡,用濾紙吸取表面水分,由式(3)計算發(fā)樣的平衡含水量F:

F=(w′-w)/w×100%

(3)

其中:w為初始發(fā)樣質(zhì)量,w′為吸水平衡時發(fā)樣質(zhì)量。

1.3.7 感官實驗法

本實驗采用頭發(fā)束感官測試方法[15],即對經(jīng)統(tǒng)一處理后的受損發(fā)樣,由若干名經(jīng)過培訓(xùn)有經(jīng)驗的人員通過制定的評分系統(tǒng)進(jìn)行評估,主要評價發(fā)樣在干/濕狀態(tài)下的梳理性、光澤性和手感(頭發(fā)是否柔軟順滑)等性質(zhì)。采用5分計,5分效果最好,發(fā)樣易梳理、柔順、手感優(yōu)異;1分效果最差,發(fā)樣粗糙、干澀,梳理時纏結(jié)嚴(yán)重。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 頭發(fā)的直徑分布

本次試驗中,選取了干態(tài)的國內(nèi)未損傷和歐洲未損傷兩組頭發(fā)進(jìn)行測量。所得頭發(fā)直徑分布曲線如圖1所示,歐洲人的頭發(fā)直徑分布較集中,在0.04～0.06 mm之間,國內(nèi)未損傷的頭發(fā)的直徑則集中在0.06～0.09 mm之間。根據(jù)本次發(fā)樣分析結(jié)果,歐洲人的頭發(fā)直徑略小于中國人。徐文龍等[16]研究了不同種族人群頭發(fā)的性質(zhì),發(fā)現(xiàn)在各人種中,中國人的頭發(fā)較粗,截面較接近圓形,唯長徑顯著小于黑人,與上述結(jié)果一致。發(fā)絲的粗細(xì)影響其剛度,較細(xì)的頭發(fā)觸感較柔軟,粗的頭發(fā)則表現(xiàn)出硬挺的效果,觸感較差。但是頭發(fā)過細(xì)則其強力受到影響,因此頭發(fā)的直徑在0.05～0.07 mm范圍內(nèi)最佳,既能表現(xiàn)出一定的柔軟性,又能保持自身的韌性。

2.2 頭發(fā)的化學(xué)組成分析

2.3 表面形貌

2.3.1 SEM表征

未損傷的發(fā)樣表面有一層瓦狀規(guī)整排列的鱗片包裹著,鱗片層排列緊密(圖3a,3c)。比較不同種族來源的發(fā)樣,發(fā)現(xiàn)中國人頭發(fā)截面呈圓形,而歐洲人頭發(fā)截面呈橢圓形,且直徑較小。經(jīng)過冷燙的發(fā)樣鱗片層被明顯破壞,表面毛小皮有嚴(yán)重的卷翹和外翻(圖3b)。這主要是由于冷燙過程中使用的還原劑使二硫鍵斷裂,導(dǎo)致頭發(fā)的鱗片層疏松;染發(fā)劑透過鱗片層的空隙進(jìn)入角質(zhì)層與蛋白質(zhì)作用[17],使鱗片無法回復(fù)到原先的緊密狀態(tài)。而經(jīng)過染色損傷的發(fā)樣表面鱗片層有輕微的剝蝕現(xiàn)象,鱗片層規(guī)整度降低,但其損傷程度較冷燙發(fā)樣小(圖3d)。

2.3.2 AFM表征

本文進(jìn)一步利用AFM觀察發(fā)樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過軟件描繪的形貌圖中沿鱗片方向的剖面的輪廓線為鋸齒形,其中每個鋸齒結(jié)構(gòu)表示一個鱗片的輪廓。結(jié)果顯示未損傷發(fā)樣的鱗片層結(jié)構(gòu)規(guī)整致密,每個鱗片長度約為8 μm,厚度約為400 nm(圖4a,4c)。冷燙損傷發(fā)樣表面鱗片被破壞,表面粗糙度變大,鱗片厚度增加到1 μm左右,這主要是因為鱗片上翻,導(dǎo)致其與毛干的間隙變大,使鱗片厚度測量結(jié)果偏大。而染色損傷后的發(fā)樣,鱗片的平均厚度略有降低,表明頭發(fā)損傷較輕,與SEM結(jié)果一致。

2.4 發(fā)樣的吸水膨脹性能

圖5為4組發(fā)樣的吸水膨脹率曲線,頭發(fā)在短時間內(nèi)(約150 s)迅速達(dá)到吸水平衡,可見頭發(fā)的吸濕滲透性較好。計算發(fā)樣的初始吸水膨脹速率和平衡含水量,結(jié)果如表1所示。冷燙損傷的發(fā)樣的初始吸水膨脹速率顯著高于未損傷發(fā)樣,而染色損傷發(fā)樣的初始吸水膨脹速率略有增加?？梢娀瘜W(xué)損傷后頭發(fā)的吸水能力變強,平衡含水量有所增加。這主要是因為頭發(fā)表層致密的鱗片結(jié)構(gòu)被破壞,更利于水分穿透外層結(jié)構(gòu)進(jìn)入頭發(fā)纖維內(nèi)部,同時最外層的疏水性保護膜——脂質(zhì)層不完整,從而使頭發(fā)變得更親水。因此,頭發(fā)損傷程度越高,頭發(fā)越親水,吸水速率和含水量越高。相比較不同種族來源的發(fā)樣,發(fā)現(xiàn)歐洲人頭發(fā)的平衡含水量高于中國人發(fā)樣,說明歐洲人頭發(fā)吸水性更好。

2.5 發(fā)樣的摩擦性能

頭發(fā)的摩擦系數(shù)表征了頭發(fā)表面的粗糙度(圖6)。冷燙損傷后發(fā)樣的靜態(tài)摩擦系數(shù)明顯高于原樣,說明前者表面損傷嚴(yán)重,粗糙度大,與AFM結(jié)果一致。頭發(fā)表皮層的毛小皮受到損傷,鱗片厚度減少,表面粗糙度增加,最直接的表現(xiàn)是毛干粗糙,因此頭發(fā)的摩擦系數(shù)增大。染色發(fā)樣的摩擦性能變化不明顯,因為其外層鱗片結(jié)構(gòu)損傷不大。同時歐洲人發(fā)樣比中國人發(fā)樣摩擦系數(shù)小,表明其表面更為光滑。

2.6 發(fā)樣的斷裂強度

2.7 頭發(fā)的感官測試結(jié)果

本文從光澤度、梳理性、柔軟度、強韌度四個方面考察頭發(fā)的性能。選擇經(jīng)過護理的發(fā)質(zhì)柔順、光澤度好的發(fā)樣作為5分參考,分別對四組發(fā)樣進(jìn)行等級評價。結(jié)果如表2所示,發(fā)樣3為4分,頭發(fā)易梳理、柔順、手感好;發(fā)樣1為3分,易梳理、通順,手感欠佳;發(fā)樣4為2分;發(fā)樣2為1分,難以梳理,頭發(fā)干枯毛糙。由此可見,比較不同種族來源的頭發(fā),歐洲人頭發(fā)比中國人頭發(fā)柔軟順滑,手感較好;比較不同損傷的發(fā)樣,冷燙發(fā)樣較染色發(fā)樣損傷嚴(yán)重,手感最差。

3 結(jié) 論

化學(xué)損傷通過破壞其毛小皮、溶解脂質(zhì)層、改變頭發(fā)顏色等降低頭發(fā)的光亮度從而影響其色澤。摩擦性能影響頭發(fā)的順滑程度及梳理性,頭發(fā)的鱗片層結(jié)構(gòu)的破壞能引起表面摩擦系數(shù)增加。摩擦阻力系數(shù)越大,頭發(fā)越難梳理,反之亦然。頭發(fā)的含水量同樣也會影響其光澤度和韌性,受損程度越高的頭發(fā)由于表層結(jié)構(gòu)疏松,水分通透性增加,以致于頭發(fā)中的水分容易流失,其表現(xiàn)是頭發(fā)干枯脆弱。綜上所述,頭發(fā)的損傷影響其各項性能,各項性能的變化又通過外觀及手感變化反饋給人們,便于進(jìn)行損傷的鑒定與修復(fù)。

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(責(zé)任編輯： 許惠兒)

Impacts of Cold Wave and Dyeing Damages on Hand Feeling of Hairs

AN Yuan-yuana, WU Jin-dana,b, WANG Ji-pinga,b

(a. School of Materials and Textiles; b. National Base for International Science andTechnology Cooperation in Textiles and Consumer-Goods Chemistry,Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

Hand feeling of human hairs is related to many factors. In this paper, human hairs of different sources and different damage history were used as objects of study. The hand feeling was evaluated according to hand feeling scoring system. Hand feeling changes of non-damaged and damaged hairs were investigated. Besides, detailed research of internal causes of hand feeling differences was made through the characterization of chemical composition, surface morphology, friction coefficient and mechanical property of hair fibers. Results show that perm, dyeing and bleaching caused damages to scale layer of hairs, decrease in breaking strength and poor hand feeling of hairs. Through comparison of hairs of different sources, non-damaged hairs of European people are more slender than hairs of Chinese people, and have small friction coefficient and more excellent hand feeling. This research will contribute to further understanding effects of damages to changes in hand feeling of hairs and providing theoretical direction for research and development of hair products.

hair damage; hand feeling; fiber structure ; surface morphology; mechanical property

1673- 3851 (2015) 05- 0649- 06

2014-11-03

浙江理工大學(xué)科研啟動基金項目(1201824-Y)

安原原(1989-),女,河南南陽人,碩士研究生,主要從事生態(tài)染整技術(shù)方面的研究。

王際平,E-mail:jipingwanghz@gmail.com

TS973.1

A