（纺织化学与染整工程专业论文）头发纤维的损伤与保护研究.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 摘要 头发是一种天然的高分子角蛋白质纤维。它的化学性不活泼，但对光照、沸水、酸、 碱、氧化剂和还原剂较敏感。日常生活中频繁的烫染、不当的拉伸及恶劣的气候等都会对 头发造成损伤，使它的物理和化学性质发生改变。头发损伤后外观上主要表现为毛燥、枯 黄、没有光泽、断裂分叉，这就使得人的外在形象大打折扣。因此头发的保护对个人来说 就非常重要，而对于头发的了解和研究，则是护发的依据。 本课题从受损头发的研究入手，用不同方法分析头发受损前后的性能变化，改进头发 的冷烫和漂白方法，并研究人发水解物对受损头发的修护效果。让人们不管是追求简约还 是时尚，都能科学地保护头发，从而可以拥有一头亮丽的秀发。 本文确立了一套头发测试方法，研究受损前后头发外观和结构性能上的变化。用扫描 电镜观察头发的外表面，比较受损前后和不同受损途径下头发的外观变化；用万能材料拉 伸仪测试头发的拉伸强度，研究头发受损前后的力学和梳理性能；通过红外光谱测定受损 头发表面化学基团的变化，分析头发纤维二级结构的转变；用铜离子吸附法评价头发受损 程度。 针对日常生活中常见的头发受损途径，研究了日晒、烫发和漂白对头发的影响。实验 表明，这些处理会对头发纤维造成不同程度的损伤。损伤结果表现为表面鳞片层翘起或脱 落，发丝力学机械性能下降，纤维蛋白质化学结构发生变化( 构型也甚至可能发生转变) 。 改进冷烫剂的配方，将半胱氨酸与巯基乙酸同时添加到冷烫剂中。与单纯的半胱氨酸 冷烫液或巯基乙酸冷烫液相比，改进后的冷烫剂在保证较好卷曲效果的同时，对头发的刺 激性较小；将亚铁离子预媒漂白羊毛的方法用于漂白头发，探讨了各因素对漂白效果的影 响，结果显示亚铁离子的浓度对纤维白度影响较大而对纤维强力影响较小。在此基础上探 讨了头发纤维对亚铁离子的吸附性，结果表明延长处理时间或升高处理温度有利于头发对 亚铁离子的吸附，吸附的最佳p h 为4 7 左右。此外，亚铁离子预媒漂白法具有漂白效果较 好、对头发损伤较小的特点。 采用酸法水解头发，研究了人发水解物的护发效果。实验比较了头发对不同水解时间 的水解产物的吸附性，并进一步研究了人发水解物和丝肽的吸湿性、保湿性以及二者对头 发的亲和性。结果表明，水解时间控制在蛋白质水解指示点后1 1 5 h 为宜；与丝肽粉相比， 人发水解物具有更好的吸湿和保湿性，更容易被头发吸收；经人发水解物护理后，头发的 断裂功、梳理性和光泽度均有所提高。 关键词：头发；受损；烫发；漂白；人发水解物；护发 1 浙江理t 大学硕十学位论文 s t u d yo nh u m a nh a i ri n j u r ya n dp r o t e c t i o n a b s t r a c t h u m a nh a i ri sak i n do fn a t u r a lm a c r o m o l e c u l a rf i b e rc o m p o s e dw i t hk e r a t i n , w h i c hh a s s t a b l ec h e m i c a lp r o p e r t y h o w e v e r ，h u m a nh a i ri ss e n s i t i v et ou l t r a v i o l e tl i g h t ，h o tw a t e r ，a c i d ， a l k a l i ，o x i d i z e ra n dr e d u c e r t h e r e f o r e ，i tw i l lb ed a m a g e db yf r e q u e n t l yw a v i n g ，d y e i n g ， i m p r o p e r l ys t r e t c h i n g ，o rh a r s hc l i m a t e d a m a g e dh a i rw i l lb e c o m er o u g h , s c o r c h ，f u r c a t e da n d l u s t e r l e s s ，w h i c hm a k i n gad i s c o u n to fp e o p l e sf i g u r e t h u s ，i ti si m p o r t a n tf o ri n d i v i d u a l st o p r o t e c t h a i rf r o mb e i n gd a m a g e d a n dl e a r n i n gt h e p r o p e r t i e s o fh a i ri st h eb a s i so f h a i r p r o t e c t i n g t h i st o p i cs t a r t e d 、衍t ht h es t u d yo nd a m a g e dh a i r d i f f e r e n tm e t h o d sw e r eu s e dt oa n a l y z e t h ep r o p e r t ya l t e r a t i o no fh a i rb e f o r ea n da f t e rd a m a g e d m o r e o v e r ，c o l dm a r c e la n db l e a c h i n g m e t h o d sf o rh a i rw e r ei m p r o v e da n dh a i re x t r a c t sw e r ea p p l i e dt or e p a i rt h eh a i rd a m a g e d a s y s t e m i cm e t h o df o rt e s t i n gt h ea p p e a r a n c ea n ds t r u c t u r a lp r o p t i e so fd a m a g e dh a i rw a s e s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ew a sa p p l i e dt or e s e a r c ht h ea p p e a r a n c e a l t e r a t i o no fd a m a g e dh a i r ；a na d v a n c e dm a t e r i a l st e n s i l o m e t e rw a su s e dt om e a s u r et h et e n s i l e s t r e n g t ho fh a i rw h i c hi n d i c a t e dt h ea l t e r a t i o no fi t sm e c h a n i c a lp r o p e r t y ；i n f r a r e ds p e c t r o m e t r y w a su s e dt oa n a l y z ec h e m i s t r yc h a n g e so nt h es u r f a c eo fh a i rf i b e ra n dt h es e c o n d a r ys t r u c t u r e c h a n g e so f h a i rk e r a t i n ；t h em e t h o do f c u p r i ci o na d s o r p t i o nw a sa d o p t e dt oe v a l u a t et h eh e a l t h y l e v e lo fd a m a g e do rr e p a i r e dh a i r c o n s i d e r i n gt h ec o m m o nc a u s e st h a td a m a g e dh a i ri nd a i l yl i f e ，t h ee f f e c t so fs o l a r i z a t i o n , w a v i n ga n db l e a c h i n gt oh a i rw e r es t u d i e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e s et r e a t m e n t sw o u l d d a m a g eh a i rf i b e ri nd i f f e r e n td e g r e e s c u t i c l el a y e ro nt h es u r f a c eo fh a i rf i b e rc o c k e do r b r u s h e do u t ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo fh a i rd e s c e n d ，a n dt h ec h e m i c a lc o n s t r u c t i o no fk e r a t i n c h a n g e da c c o r d i n g l y ，e v e nt h ep r o t e i n i cc o n f i g u r a t i o nt r a n s f o r m e dp r o b a b l y t h er e c i p eo fc o l dm a r c e la g e n tw a si m p r o v e d ，w h i c ha d d e dw i mb o t hc y s t e i n ea n d t h i o g l y c o l i ca c i d c o m p a r i n gw i t hp u r ec y s t e i n eo rt h i o g l y c o l l i ca c i d ，t h ei m p r o v e da g e n th a sa m o r ef a v o r a b l ec u r le f f e c ta n dl e s sp u n g e n c yt oh u m a nh a i r b e s i d e s ，t h ef e r r o u si o np r e t r e a t e d m e t h o dw h i c hu s u a l l yu s e dt ob l e a c hw o o lw a sa p p l i e dt ob l e a c hh u m a nh a i r t h ep r o c e s s i n g f a c t o r sw h i c hi m p a c t e dt h ew h i t e n e s sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yo fh a i rw e r ed i s c u s s e d t h e 1 1 浙江理工大学硕士学位论文 r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o n c e n t r a t i o no ff e 2 + h a dm o r ee f f e c to nw h i t e n e s sa n dl e s se f f e c to n m e c h a n i c a lp r o p e r t yo fh a i r m o r e o v e r , t h ea d s o r p t i o na b i l i t yo ff e 2 + t oh a i rw a ss t u d i e d ，t h e r e s u l t si n d i c a t e dt h a tp r o l o n g i n gt h et r e a tt i m eo ri n c r e a s i n gt e m p e r a t u r ew a sb e n e f i tf o rt h e a d s o r p t i o no ff e 计t oh a i r ，a n dt h eb e s tp hf o ra d s o r p t i o nw a sa r o u n d4 7 t h i sb l e a c h i n gm e t h o d h a dab e t t e rb l e a c h i n ge f f e c ta n dd i dl e s si n j u r yt oh a i r t h ee x t r a c t sf r o mh u m a nh a i rb yt h ew a yo fa c i dh y d r o l y s i sw e r eu s e dt ot r e a td a m a g e dh a i r , a n dt h ee f f e c to fr e p a i r i n gd a m a g e dh a i rb yh u m a nh a i re x t r a c t sw a ss t u d i e d t h ea d s o r p t i v i t y f r o mh u m a nh a i re x t r a c t st oh a i r ，w h i c hw a sh y d r o l y z e df o rd i f f e r e n tt i m e ，w a sd i s c u s s e d m e a n w h i l e ，m o i s t u r ea b s o r p t i o na n dm o i s t u r er e t e n t i o no fh u m a nh a i re x t r a c t sa n ds i l kp e p t i d e w e r es t u d i e d ，a n dt h e i ra f f i n i t yt oh a i rd i s c u s s e da c c o r d i n g l y t h er e s u l t ss h o w e d ，t h eh u m a nh a i r e x t r a c t sc o l l e c t e d1t o1 5h o u r sa f t e rt h ei n d i c a t e p o i n tw h i c hm e a n st h ee n do fk e r a t i n h y d r o l y s i sh a dh i g h e ra f f i n i t yt oh a i r c o m p a r e d 谢t 1 1s i l kp e p t i d ep o w d e r ，h u m a nh a i re x t r a c t s h a dh i g h e ra d s o r p t i o na f f i n i t yt oh a i ra n db e t t e rm o i s t u r ea b s o r p t i o na n d h o l d i n ga b i l i t y h u m a n h a i re x t r a c t sh a de x c e l l e n te f f e c t so nr e p a i r i n gd a m a g e dh a i r ，w h o s eb r e a k i n gw o r k , c a r d i n g a b i l i t ya n dg l o s s i n e s se n h a n c e da f t e rt h er e p a i r i n g k e y w o r d s ：h u m a nh a i r ；d a m a g e ；m a r c e l ；b l e a c h ；h u m a nh a i re x t r a c t s ；h a i rr e p a i r i n g - i i i 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰 写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：嘏布杪 日期：弘叼9 年月f 9 日 日期：瑚c 7 年 月f 伊日 浙江理下大学硕+ 学位论文 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 不保密留。 学位论文作者签名：善瑟季i 少 日期：州年弓月9 日 年解密后使用本版权书。 指导教师签名：三孑乡广吃一 醐：年乡月缈日 浙江理t 大学硕士学位论文 第l 章前言 头发纤维同羊毛纤维一样，是一种高分子角蛋白质纤维。作为生长于人体的一种毛发， 头发纤维不仅可以保护头皮、防止头皮散热，而且还起到美观的作用。在社交活动中，亮 丽、健康的头发以及优美的发型常常能给人带来特有的魅力。对人类来说，头发的作用更 重要的是一种心理功能而非生理功能【“。因此头发对个人形象而言很重要，保护头擅免 受损伤也卜分重要。 1 1 头发纤维的结构 1 1 1 头发纤维的生态结构 头发纤维从外到里可分为毛表皮、毛皮质、毛髓质三个部分，如图1 - i 所示。毛表皮 ( 又称表皮层、角质层) 是毛发的最外层结构，主要化学成分为角蛋白，由鳞片或瓦状的角 质细胞构成。它可以抵御外柬刺激保护皮脂并抑制水份的蒸发。它的膨胀力强，叮有效 地吸收化学成份，遇碱时关闭毛孔。表皮层延续了毛皮质的角蛋白纤维质，可以抵抗外界 的一些物理与化学作用。 霄- - 原子 、一i 疆 圈1 - 1 头发的角质蛋白分子构造示意 浙江理t 大学硕士学位论文 圉1 - 2 头发毛表皮的放大照片 毛皮质由柔软的角蛋白构成，占毛发总质量的7 5 至9 0 ，是决定毛发性能的重要组 成部分，它的结构组成较为复杂。首先蛋白质高分子链互相缠绕形成原纤维，原纤维汇集 在一起便形成了微小纤维。然后这些微小纤维进一步聚集，便形成了大纤维。虽后大纤维 结合成肉眼可以看到的纤维体，这就是毛皮质。角蛋白质的链状结构使头发具有可伸缩的 特性，从而保证不易被拉断。但头发处于湿态的时候较为脆弱，不当拉伸就会造成损伤。 此外，毛皮质内还含有具有凝结力和决定头发色质的色素。 毛髓质位于头发纤维的中心部位，中间是空心的i l 状结构，含有一定量空气，其机能 已逐步退化，无实际作用。 1 1 2 头发纤维的化学结构 头发纤维主要由角质蛋白组成，而角质蛋白则由氨基酸组成。同革毛纤维类似，各种 氨基酸( n h 2 c h r c o o h ) 通_ 过肽键( c o - n h - ) 连接成角蛋白长链，两条链上各自的半胱氨酸 中的s h 氧化形成二硫键( s s - ) ，使肤链间形成相对稳定的交联网络。角蛋白分子间作用 形式随r 基的不同而不同，丰要有氢键、盐式键和二硫键，其中二硫键为主要作用形式。 用傅立叶变换红外光谱法和漫反射附件技术( d p f t l r ) 无损分析可知。头发表层中主要有 羟基、甲基、亚甲基以及蛋白质的酰胺i 带和酰胺i i 带口】。 头发纤维大分子问的作用形式主要有三类”】： 1 氢键作用n h - 和一c o 一基团之间的联结 f 2 0 h n 、 州c声h r n _ h 。0 2 c 、 f 2 1 盐式键作用酸性和碱性氨基酸侧基问的离子键联结 浙江理工大学硕士学位论文 。= 一+ vv7 ￥n 一” 。f “。鼍、岁i ：i i l 一罩：。 “鼍 、一，4 n h ；hhf 2 0 ( 3 ) 二硫键作用半胱氨酸侧基间的共价键联结( 分子问形成相当稳定的交联网络) 1 2 头发纤维受损因素分析 1 2 1 物理损伤 物理损伤是指机械外力对头发造成的形态损伤，如头发毛鳞片的脱落，头发纤维的断 裂等等。日常生活中的不当梳理和牵扯，都会引起头发的物理损伤。当头发较干或较湿时， 表面的毛鳞片便会张开，这会致使头发的表面摩擦系数增大，从而在梳理时增加头发纤维 与梳子之问以及纤维与纤维之间的摩擦力，造成毛鳞片剥落h ”。图1 - 3 为头发受磨损前 后的原子力学显微镜( a f m l 照片吼可以看出磨损后头发的表面毛鳞片脱落比较严重。 v i n a i n 图1 - 3 头发摩攘受损前后的a f m 照片 0 u m l 。 造成头发物理损伤的外力还有刃物引起的削割力，如比较钝的剃刀、理发剪等。用指 甲挠头皮也会将头发的鳞片层刮伤，使毛鳞片剥落【“，图1 - 4 为头发被刮伤的示意图及扫 描电镜照片。 州 铀 、n审u h卜h s s !h 气户n、 归 p 浙江理1 大学硕十学位论文 111 武哪：二二醴 艘 图1 - 4 被刮甥的头发 1 2 2 化学试剂损伤 化学损伤指由发生在头发中的化学反应引起组成头发角蛋白的化学结构变化而造成 的损伤。日常的美发过程中，烫发、漂白和染发都会。定程度上造成头发损伤。而引起化 学反应的物质包括烫发剂、染发剂和漂白剂等。这些化学物质都是通过穿透毛表皮进入毛 皮质而起作用的，因而毛表皮会最先受到损伤。化学物质首先将毛表皮最外层的疏水性保 护膜脂肪酸层分解掉，头发由疏水性变成亲水性t 7 】：继而毛表皮被侵蚀、溶解。毛表 皮受损使头发失去自我保护能力皮质层很容易受外界物理或化学作用的影响。因而这些 化学处理都不可避免地会改变头发表面及其内部结构，比如引起头发巾蛋白质损失、纤维 结晶度i s 下降等。 1 2 3 日光损伤及气候老化 长时问日光照射会使头发干涩、分叉、发色变浅，失去光泽和弹性。日晒受损头发的 首要表现是干涩毛燥，当头发长时间地曝晒在阳光下时，头发皮质层就会失去水分，从而 变得干燥；第二个表现是缺少弹性和光泽。头发的主要成分是蛋白质而紫外线对蛋白质 有着强烈的分解作用，它能使头发中的蛋白质降解，导致毛表皮翻翘和剥落，使头发失去 弹性和光泽；第三个表现是分叉断裂。头发中的黑色素在光照下很容易分解，而发梢处的 黑色素更容易被分解，因此r 晒特别容易造成发色变浅，发梢分叉和断裂【”。 浙江理工人学硕十学位论文 除日晒外，外界环境的湿度和温度也会影响头发的性质。湿度过低，头发干燥、容易 产生静电；湿度过高则会使头发吸水“溶胀 【1 0 】，使发丝交缠、难以梳理。久而久之，头 发便会被侵蚀老化，从而失去亮丽品质。 1 3 头发发质的常用评价方法 头发发质的评价方法较多，大体上可以分为化学试剂法和仪器分析法。化学试剂法主 要是通过定量分析来判断头发的受损程度，常用的有蛋白质损失测定法和铜离子吸附法； 仪器分析法主要是通过先进的测试仪器对头发纤维进行定性或定量的分析，从微观上评价 头发纤维的物理或化学性能，常用的有电镜法、扫描差热分析( d s c ) 法、傅立叶红外光 谱( f t 瓜) 和傅立叶拉曼光谱( f t r a m a l l ) 法。尽管化学试剂法操作方便、快捷，成本相对较 低，但它仅仅体现了头发受损的程度，无法说明头发纤维结构所发生的变化；仪器分析法 虽然操作成本相对较高，但它可以从微观上分析受损前后的头发纤维所发生的物理或化学 变化。 1 3 1 化学试剂法 1 3 1 1 蛋白质损失测定法 化学试剂对头发的角蛋白有一定的溶解和损害作用，所以烫染后头发上的蛋白质会有 不同程度的损失，而且受损程度越大，蛋白质的损失程度也越大【1 6 】。因而头发上蛋白质 含量的损失程度是衡量头发健康程度的重要指标。 测定蛋白质含量的方法有很多，如凯氏定氮法、双缩脲法、考马斯亮蓝染色法、等电 点沉淀法和紫外吸收法等【1 7 1 ，这些方法都有各有的特点。对于实验室测定头发蛋白质含量 来说，考马斯亮兰法以其“灵敏度高、干扰物质少、测定快速简便【1 8 】”而成为首选手段， 它适于测定蛋白质浓度较低的物质。 考马斯亮蓝g 2 5 0 是一种有机染料，在游离状态下呈红色，在稀酸溶液中与蛋白质的 碱性氨基酸( 特别是精氨酸) 和芳香族氨基酸残基结合后变为蓝色，其最大吸收峰的位置也 由4 6 5h i l l 变为5 9 5n n l 。蛋白质在1 10 0 0 肛g 范围内，蛋白质色素结合物在5 9 5n n l 波长 下的吸光度与蛋白质含量成正比，故可用于蛋白质的定量测定。考马斯亮蓝g 2 5 0 与蛋白 质结合反应十分迅速而稳定，2m m 左右即达到平衡，其结合物室温下1 h 内保持稳定。考 马斯亮蓝g 2 5 0 法是目前灵敏度最高的蛋白质测定方法，最低蛋白质检测量可达l “m 。 於勤等人1 4 1 用扫描电镜和考马斯亮兰法测定头发化烫后蛋白质丢失的量，并研究了不 同护发香波处理后头发表面形态变化与头发蛋白质的丢失情况。蛋白质的浓度根据牛血清 蛋白标准曲线计算求得，所以测定前需要制得牛血清蛋白标准曲线。头发样品剪成需要的 气 浙江理下大学硕士学位论文 长度后在蒸馏水中振荡一段时间，得蛋白质混浊液，与n a o h 溶液1 ：1 混合后，再加入 染液，即可用紫外分光光度计测吸光度，从而得出蛋白质的量。 考马斯亮兰法也有一个显著的缺点，那就是线性关系差。郭敏亮等人f 1 9 】研究了显色液 组分对蛋白质测定的影响，发现显色液的酸度是影响线性关系的主要因素，并提出了一个 新的显色液配方来改善线性关系，即把其中的磷酸组分换成了h c l - n a c i 缓冲液，从而改 善其线性关系。 1 3 1 2 铜离子吸附量法 程若男口o 】，郑林口1 1 两人根据一美国专利，用铜离子吸附法测定了头发的受损程度。其 原理是头发在受热或化学物质损伤时，毛发中角阮分子相互问的二硫键被切断，从而使头 发带负电荷。若受损且带负电荷的头发浸于一定p h 值的硫酸四氨合铜溶液中，则可以根 据头发吸附的铜离子量的大小来测定头发的受损程度。其中，程若男对测试条件作了优化， 使测试时间大大缩短；郑林则是根据东方人的毛发中含黑色素较多的特点，用硫酸铜替代 了硫酸四氨合铜溶液。测定的结果表明，头发受损程度越大，吸附的铜离子量越多。 1 3 2 仪器分析法 1 3 2 1 电镜观察法 许多文献在研究头发受损时都以扫描电镜( s e m ) 照片或原子力显微镜( a f m ) 照片作为 确定头发受损程度最直观的依据。刘跃华等人【1 5 】专门用s e m 探讨了化学制剂对头发损伤， b h a r a tb h u s h a n 等人【2 2 】用a f m 研究了外界环境对头发的纳米机械性能和表面孔状结构的 影响。 相比于s e m ，a f m 测定要简便些，它不需要对样品作特殊的前处理，但操作成本相 对较高。用电镜法操作虽然简单明了，适于各种受损头发的测定，但精确度不高，可以作 为测定的辅助手段。 1 3 2 2 扫描差热分析法 扫描差热分析( d s c ) 法已被用于受延展和热处理角蛋白样品的微纤维一基质复合物结 构改性研究中。0 【角蛋白d s c 曲线在2 3 0 2 5 0 有一个被标记为a 螺旋峰的吸热峰，峰 面积表示样品中的相对螺旋含量( r h c ) 。螺旋吸收峰的面积大小取决于长微纤中0 【螺旋物 质的结构完整性。包裹微纤维的基质的交联密度在动力学上决定了螺旋吸收峰的峰值温 度。高涛【8 1 用该法讨论了天气环境、漂白作用和松弛处理对头发的影响，结果表明头发受 损后r h c 有所减少。 浙江理上人学硕士学位论文 1 3 2 3 傅立叶红外光谱和傅立叶拉曼光谱法 傅立叶红外光谱( f t - 1 r ) 是测定纤维表面化学结构较好的方法，尤其是全反射技术 ( a t r ) 的出现使样品实现了无损测定。傅立叶红外光谱和傅立叶拉曼光谱( f t r a m a n ) 配合 使用可以更好地对样品进行分析。它们可以反应出头发或羊毛这样的角蛋白纤维表面发生 的化学变化，分析其蛋白质构象的转变趋势，研究纤维的结晶度变化1 2 3 - 2 7 1 等。 1 4 头发的保护方法 未受搞或蔓损蛀样 修护后是样 蟒片层选螓 交片层滞负电舒7 护盘调理协 浠正电荷) 图1 - 5 护发素可中和头发表面的负电荷脚i 来受揖蕞样受描筮样 经恪护后的受损美样 表皮层毛蟒片 护装秉赴理前后头麓黼田 表皮层、，j 象手；蚤b，荔垂謇豫、 影 强 形。# 晒护垃嬲矩 。? ，。囊荆潦娃a 衍，、 0 、 皮鼹一争y 瑚1 ”：j 糯摹逸桫 图l 护发豢在头发表面形成保护膜1 2 s 1 7 簿一 浙江理工人学硕十学位论文 保护头发最简单而且最常用的方法是使用护发素。一般认为，头发带有一定量负电荷 1 2 9 。用洗发水( 主要是阴离子洗涤剂，肥皂也属于此类) 洗发后，会使头发带有更多的负电 荷，从而产生静电，致使梳理不便。护发素的主要成分为阳离子季铵盐，它可以中和残留 在头发表面的阴离子物质，并留下一层均匀的单分子膜，如图1 5 和图1 - 6 所示。这层膜 可以使头发柔软、光泽、易于梳理、抗静电，并使头发的机械损伤和化学损伤得到一定程 度的修复。 目前市场上常见的发用护发类产品主要有煸油、发乳、发膜、修护喷雾水、修护凝露 和凝胶、普通发油和修护发油、修护发蜡等。不同功能的产品所含成分也有所不同。一般 情况下，主要成分有以下几类 3 0 】： ( 1 ) 调理聚合物：主要作用在头发角质层，减少毛鳞片的脱落，深层修复受损头发； 在头发表面形成一层保护膜，改善头发外观，帮助活性成分的吸附和抗静电。这类聚合物 一般有阳离子聚合物、阳离子纤维素、阳离子瓜儿胶、各类聚季铵盐等。 ( 2 ) 硅油：主要成分为聚二甲基硅氧烷，其中的s i 0 键长度相对较长且键角较平，使 得聚合物的链柔韧易旋转；主要的支链为甲基基团，有较低的分子间力和表面能，惰性、 憎水。因此，硅油聚合物易于铺展，有一定的流动性，可以改善头发的梳理性、提高柔软 度、增加亮度。 ( 3 ) 防晒剂：主要用于防止头发晒伤，有些还能防止二硫键断裂和色氨酸分解等，如 二甲基对氨基苯甲酰胺丙基十二烷基二甲胺甲苯磺酸盐。 ( 4 ) 营养成分：主要有维生素、天然油脂、植物精华、鲜奶、蛋白质及其衍生物等， 这些物质可以给头发提供营养，使头发更健康、有光泽、减少分叉，使头发更强韧，提高 调理保湿性能等。 在护发素的营养成分中，水解蛋白质及其衍生物的应用较多。蛋白质在酸或酶的作用 下水解生成：蛋白质一肽一多肽一二肽一氨基酸，在未彻底水解成氨基酸之前，有一系列 带有蛋白质性质的中间产物，称为水解蛋白。其中高分子量的水溶性蛋白能与头发中的角 蛋白形成氢键，易被头发吸收成膜，对受损发质具有修护作用。这是由于头发的毛表皮损 伤，蛋白质裸露，头发的亲水性增加，易与水溶性蛋白结合而形成一层蛋白质膜；低分子 质量的氨基酸主要起到保湿作用，游离的氨基酸蛋白质母体在发生水解时肽键断裂，生成 亲水的羧基和氨基群，能渗入头发内部，维持头发纤维内水分的均衡状态；若将水解蛋白 季铵化、乙酰化或与硅氧烷等一起制各共聚物得到水解蛋白的衍生物，其调理性将迸一步 浙江理工人学硕十学位论文 增强。 近年来许多护发产品都宣称其产品里含有小麦蛋白、大豆蛋白或杏仁蛋白等植物蛋 白。徐淑芹等人【3 1 1 介绍了美发护发化妆品中的植物蛋白，主要为植物蛋白的水解物或水解 物的衍生物。动物性蛋白对头发的修护效果也很显著，但易受到成本和来源的限制。近年 来部分专家从废弃的羊毛、蚕丝中提取了有用物质用作洗护产品，扩大了动物性护发蛋白 的来源。沈之荃、陈文兴等人吲1 对丝胶肽水解分子量与护发效果的关系作了研究。他们以 丝胶蛋白为原料，以胰蛋白酶为催化剂，首次系统研究了丝胶得水解特性及水解后的丝胶 肽分子量变化对护发效果的影响，结果表明小分子量的丝胶肽对头发有更好的亲和性；相 比于丝胶，丝胶肽在头发表面形成的保护膜更强韧、细腻、光滑，能赋予头发更好的弹性 和光泽。朱尽顺、汪涛【3 3 1 等人对羊毛角蛋白的再生和利用作了研究，他们将纺织加工中劣 质、废弃的羊毛提取再利用，主要提取物有角蛋白水解氨基酸、角蛋白水解多肽和角蛋白 降解大分子。这些角蛋白水解氨基酸和多肽都可以用于护发产品，该研究符合了当前环保 的趋势。 人类头发也是一种非常好的角蛋白来源。相比于动物角蛋白，它安全性高、来源广泛。 人发水解物的再利用虽然有了一定的发展，但应用并不多。人发水解物主要有小分子肽、 黑色素、游离氨基酸和无机盐离子等，已应用于医药和高分子工业等【3 4 。3 7 】行业，但作为洗 护发添加剂的报道很少。 1 5 本课题目的、意义和研究内容 1 5 1 课题的目的和意义 健康的头发是个人形象的重要表现，因而能够拥有一头亮丽的秀发自然成为每个人追 求的目标。但同常生活中对头发有意或无意的处理，常常使得头发的健康度很受影响。为 使人们能够更好地了解头发受损的原因，本文从日常生活中可能遇到的烫发和染发等手段 入手，考察这些处理方法对头发性能的影响，继而改进头发处理工艺以减少头发纤维的损 伤，并进一步开发新型的护发产品。这些研究将使人们在充分了解头发受损的基础上懂得 如何保护头发，维护头发健康，使人们不管是追求简约还是时尚，都可以拥有一头亮丽的 秀发。 1 5 2 主要研究内容 本课题主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 确立一套系统表征方法，研究头发受损前后各方面的性能。 ( 2 ) 改进头发冷烫剂的配方，探讨不同的冷烫剂配方对头发卷曲效果的影响，筛选出 9 浙江理t 大学硕士学位论文 具有对头发刺激小、卷发效果好的冷烫剂； ( 3 ) 用亚铁离子( f e 2 + ) 预媒漂白法对头发进行漂白，探讨各因素对头发白度和头发纤维 机械性能的影响，并优化头发预媒漂白法工艺； ( 4 ) 优化人发水解工艺，确保所得人发水解物有较好的护发效果；研究人发水解物的 吸湿性和保湿性，考察它对受损头发的修护效果。 浙江理工人学硕士学位论文 第2 章实验所用测试方法 为了研究头发的外观、机械性能以及人发蛋白质的化学结构变化，评价头发受损程度 和修复的效果，本文选取了以下几种测试方法作为头发发质状况的表征方法。 本文所用人发为实验者自备，均为亚州人黑色原发，且同一次实验中所用人发均取自 一人。 2 1 电镜观察法 扫描电镜是观察单根纤维外貌形态的最直接和最有效的仪器。头发纤维受损后往往表 现为没有光泽，手感粗糙。通过扫描电镜可以观察到纤维表面的破坏情况，不同受损原因 和不同受损程度的头发往往会有不同的外观表现。 2 1 1 仪器与操作 实验仪器：j s m - - 5 6 1 0 l v 扫描电镜。 实验操作：将待测头发剪成约o 8i n l l l 长的小段，粘在贴有导电胶布的载物台上，每 个样粘三根，然后喷金，待测。 2 1 2 分析方法 通过观察头发毛鳞片的形状或整根纤维的表面形态来判断头发的状况。一般物理受损 的头发毛鳞片翘起、断裂，如不当拉伸和梳理；环境因素受损的头发可能纤维肿胀、毛鳞 片出现裂纹，如日晒和热损伤；而化学受损的头发往往表面毛鳞片出现剥蚀脱落现象，甚 至纤维表面会出现孔洞。 2 2 拉伸法 头发是天然纤维中最富弹性的种。头发的拉伸性能取决于皮质层的a 角蛋白。a 角 蛋白的伸缩性能很好，使毛发具有很好的拉伸性能，可以拉长到原有长度的两倍。头发被 拉长到一定程度以后，0 【螺旋被破坏，转变为b 一构象。 2 2 1 仪器与操作 实验仪器：i n s t r o i n 一2 3 0 0 3 3 0 0 万能材料测试仪。 实验操作：拉伸速度5m m m i n ，夹持距离5 0h u n ，数据记录1 0 点秒，温度2 0 。c ，湿 度6 5 2 2 2 分析方法 2 2 2 1 典型拉伸曲线 头发的拉伸曲线依次经历三个阶段：前屈服区，又称虎克i 又 ( h o o k e a nr e g i o n ) ；屈 浙江理工大学硕士学位论文 月艮区( v i e l dr e g i o n ) ；后屈服区( p o s t - y i e l dr e g i o n ) 。因而头发的拉伸曲线有一定的规律，又 被称为虎克曲线，如图2 1 所示。 0 0 0 1 2 0 0 0 0 8 o51 01 52 02 53 0 s ( m m ) 图2 - 1 头发的拉伸曲线 图2 1 是头发的荷重一伸长曲线，其中出现2 个曲折点。最初2 伸长中荷重和伸长 间几乎呈直线关系，称为虎克区域。这一区域内的伸长是基于微原纤维中键角变形，主要 发生在皮质层。继续伸长，超过这一区域出现第一个曲折点，头发呈现急剧伸长。这一区 域称屈服区，其荷重一伸长曲线的斜率约为虎克区的1 。这一区域内蛋白纤维由伍型转 变为1 3 型，这一变化也主要是在皮质层发生。继续伸长，伸长率达到3 0 左右出现第二个 曲折点，曲线斜率提高1 0 倍，这一区域称为后屈服区，二硫键发变形。再继续伸长，使 伸长率达到4 0 5 0 时出现头发断裂。此时的应力称为最大应力或切断强度，此时的伸长 称为最大伸长 3 9 - 4 0 】。 头发拉伸曲线的特性值有以下几个【4 1 】： ( 1 ) 最大应力和最大伸长头发拉至断裂时的最大应力和伸长； ( 2 ) 弹性系数虎克区的直线斜率； ( 3 ) 屈服起点虎克区的直线部分延长线与屈服区的直线部分的延长线的交点； ( 4 ) 屈服终点为屈服区的直线部分延长线和后屈服区的直线部分的延长线的交 点； ( 5 ) 断裂功荷重一伸长曲线与横轴围成的面积。 浙江理j = 人学硕士学位论文 其中，较为常用的指标有最大应力、最大伸长、弹性系数、屈服点和断裂功。相比于 虽大应力和晟大伸长，断裂功更能代表天然蛋白质纤维的拉伸性能m j 。 2 2 2 2 数据处理方法 天然纤维由于内部结构和外形尺寸的不均匀性，各根纤维的拉伸曲线存在较大的差 异。从离散性较大的拉伸中，选取一根代表性曲线，常用的有以下2 种方法翻： ( i ) 单根代表曲线法：根据实测试样所得的断裂强力、断裂伸长和初始模量( 或屈服点) 的平均值，在n ( 样本容量) 根拉伸曲线种选取其中一根壤接近上述指标的平均值的曲线，即 为代表性曲线。这一方法较简单，所得曲线光滑、自然，但在任意拉伸阶段时曲线的平均 代表性较差。 ( 2 ) s 根曲线平均法：根据上述方法从n 根拉伸曲线中选取5 根最接近平均断裂强力、 断裂伸长率和屈服点( 屈服应力和应变) 的曲线；将每根曲线的断裂伸长分为若干等分；求 出各对应伸长分点的平均强力；以实测的平均断裂伸长为基准，作出各对应伸长分点的平 均强力点，然后连接各点所得曲线即为纤维的代表性曲线。这一方法绘制较麻烦，当分点 较少时，曲线不光滑：当取较多分点时，绘制根费时。但它能较好的代表整个拉伸过程的 变形特征，代表性好。 本文改进了单根曲线代表法，对头发单纤维拉伸曲线按如下方法处理：在测得的5 0 根纤维曲线中选取5 根分布晟集中的曲线，通过o r i g i n 绘图软件得到平均曲线，再经过多 次平滑处理，得到晶后的单纤维曲线。该法操作简便且代表性较好，处理如下： 1 01 5 s ( m m ) 图2 - 25 根代表性曲线 - 1 3 - 浙江理下大学硕士学位论文 0 0 0 0 4 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 z y ro 0 0 0 6 0 0 0 0 4 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 1 01 52 0 s ( m m ) 图2 35 根曲线的平均曲线 1 52 0 s ( m m ) 图2 - 4 多次平滑后的单纤维曲线 纤维或其他材料的屈服点确定有多种方法，如m e r e d i t h 法( 平行线法) 【4 3 1 、c o p l a n 法【4 3 1 、 角平分线法【2 9 1 、e - a l l y 法( 三阶导数法) m 1 和垂线法等。其中，垂线法较简便常用，本文亦 采用此法。虎克区的直线部分延长线与屈服区的直线部分的延长线的交点向x 轴作垂线， 该垂线与拉伸曲线的交点即为屈服起点；同样，屈服区的直线部分延长线和后屈服区的直 线部分的延长线的交点向x 轴作垂线，该垂线与拉伸曲线的交点为屈服终点，如图2 5 所 浙江理1 ：大学硕士学位论文 不o z y l l 0 0 0 1 5 1 52 0 s ( m m ) 图2 - 5 头发拉伸屈服点 2 3 梳理法 头发梳理性的测定是指在一定的温湿度下，通过测定机械梳子在梳理头发过程中所遇 到的阻力及阻力的变化情况。它反应的是头发纤维表面的摩擦学性能，头发表面越粗糙， 则梳理时所受到的摩擦阻力越大。 2 3 1 仪器与操作 实验仪器：i n s t r o n 一2 3 0 0 3 3 0 0 万能材料测试仪 实验操作：在拉伸仪器的底部夹具上固定一把细齿梳，梳齿要垂直穿过待测头发束所 在的平面。将待测头发先用宽齿梳梳通，使相同长度和宽度的等重量的头发束穿过梳子( 见 图2 6 ，( a ) 、( b ) 、( c ) 分别为夹具的正视图、侧视图和俯视图) ；拉伸速度1 0 0r a m r a i n ，夹 持距离1 0c m ，数据记录l o 点秒，温度2 0 ，湿度6 5 。 浙江理工人学硕十学位论文 h p u | | 毽 a l r - - - , , l 今 。 陵 1 p i b 一一f