拉伸处理对人发鳞片结构的影响及其作用机制

肖桂真， 姚金波， 刘 荣

(1. 天津工业大学 纺织学部， 天津 300387; 2. 先进纺织复合材料教育部重点实验室， 天津 300387)

拉伸处理对人发鳞片结构的影响及其作用机制

肖桂真1，2， 姚金波1,2， 刘 荣1,2

(1. 天津工业大学 纺织学部， 天津 300387; 2. 先进纺织复合材料教育部重点实验室， 天津 300387)

人发等角蛋白纤维在拉伸细化过程中，其表面形态、内部结构以及理化性能均会发生一定程度的变化。通过溴阿尔瓦登(Herbig)反应现象，系统研究了人发纤维鳞片层经拉伸细化处理后的完整性和未经定形回缩处理纤维鳞片层的回复状态，比较了不同处理条件对人发鳞片层改性作用的差异，进一步探讨人发拉伸细化改性的机制。结果表明：随处理条件不同，人发鳞片表层的改性程度也不同；拉伸定形后，鳞片层改性程度更大；拉伸不定形而回缩处理后纤维的鳞片层会发生不可逆的变化，鳞片表层和鳞片外层对拉伸定形处理的反应情况大不相同。

人发； 拉伸细化； 鳞片层； 溴阿尔瓦登反应

人发是由角质细胞聚集构成的结构复杂的角蛋白纤维，其形态结构可分成3部分：包覆在人发表面的鳞片层、组成人发主要实体部分的皮质层、髓质层[1]。鳞片层又称毛小皮，其结构复杂，可细分为鳞片表层(epicuticle)、鳞片外层(exocuticle)、鳞片内层(endocuticle)，其中，鳞片表层是鳞片细胞的最外层，也称为表皮细胞薄膜层，平均厚度约5 nm，每个鳞片表面均由该层组织覆盖，具备半透膜的性质，且耐碱、氧化剂、还原剂和蛋白酶等，体现出良好的化学惰性[2]。在鳞片各亚层中，虽然鳞片表层的含量最少，但却是研究的重点之一[3]。当毛发纤维浸入饱和氯(或溴)水中时，鳞片表层高浓度的二硫键可以经过氧化作用形成水溶性蛋白，在水的强烈膨化作用下，强大的渗透压使未受到损伤的鳞片外层较厚的部位领先膨化，形成凸起的囊泡，并整齐的排列在纤维四周[4-5]，这种现象即为阿尔瓦登(Allworden)反应，它是研究鳞片表层结构和性质的一种有效方法。如果鳞片表层严重损伤或者被去除，或者角质层蛋白质预先被降解成低分子质量的物质而在纤维溶胀前易于扩散出来，则囊泡会延迟出现或者根本不会发生[6]。因此，毛发是否能发生Allworden反应，是判断鳞片表层完整性的一个有效依据[7]。

人发纤维经过拉伸细化工艺处理后，鳞片层结构产生了变化，因此鳞片表层会随拉伸条件的不同而得到不同程度的改性。本文以饱和溴水作为氧化剂，通过溴阿尔瓦登(Herbig反应)实验判定鳞片层的完整性，进而揭示人发在拉伸细化条件下的变化规律。

1 实验部分

1.1 材料及仪器

表1 人发样品拉伸细化的实验结果Tab. 1 Human hair samples slenderizing experimental results

注：定形程度S=(L-L0)/L0×100%，L0为纤维的原长，L为纤维经定形工艺自然晾干后长度。

实验材料采用工厂提供的化妆用人发纤维。仪器包括HH-4型恒温水浴锅(金华市科兴公司)，自制蒸汽发生器，自制拉伸细化设备，电子分析天平(Mettler-Torida仪器有限公司)，VHX-1000型数码显微系统(基恩士公司)。

复配预处理剂、复配H2O2定形剂、饱和溴水(天津科密欧有限公司)。

1.2 拉伸定形工艺流程

拉伸定形工艺为：30%复配预处理试剂→预处理工艺(水浴30 min、温度70 ℃)→拉伸工艺(速率20 mm/min、汽蒸环境)→双氧水复配定形试剂，汽蒸环境下定形。

1.3 鳞片完整性观察

人发试样采用3种工艺处理：

工艺1：原发充分水洗，用烷基磺酸钠去除表面油脂和杂质，自然晾干。

工艺2：按上述拉伸细化工艺处理试样。拉伸率分别设定为10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%。定形剂用量为6%，得到不同的拉伸定形细化纤维。

工艺3：按上述拉伸细化工艺处理试样。拉伸率设定为10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%。不经定形处理，得到拉伸不定形的纤维，再用70 ℃温水浸泡5 min，制得回缩纤维。

利用VHX-1000型数码显微系统对试样进行分析。将试样放在载玻片上，滴2滴饱和溴水，在数码显微系统下计时观察反应情况，并记录纤维表面Herbig反应状态。每种试样取20根，取具有普遍意义的图像进行分析。

2 实验结果与分析

人发经拉伸细化后，其纤维表面形态与内部结构均会发生变化，明显变细，鳞片细胞变长变薄，边缘有翘起，鳞片密度减小，纤维结晶度增大，晶粒结构趋于紧密完善，密度增加[8]。鉴于鳞片层在拉伸过程中的变化，显然可以通过Allworden反应来分析鳞片结构的变化规律。

溴阿尔瓦登反应(Herbig反应)就是将具有鳞片层的纤维浸渍在溴水中时，纤维表面会出现不同程度的液泡，液泡的形成源于膜的半渗透性[1]，反应现象如表1所示。原发及经定形处理后人发的Herbig反应情况如图1所示。

图1 原发及经定形处理后人发的Herbig反应情况Fig. 1 Herbig reaction of original human hair and human hair after setting treatment.(a) Original human hair; (b) Stretched 20% setting; (c) Stretched 30% setted; (d) Stretched 40% setting; (e) Stretched 50% setting; (f) Stretched 60% setting; (g) Stretched 70% setting

液泡大小及形成时间的变化，直接说明了鳞片表层已发生变化[3]。具有完整鳞片结构的纤维表面所产生的液泡均匀，呈串珠状，1个液泡覆盖1个鳞片表面，偶尔也会覆盖在2个或几个鳞片的表面，如图1(a)所示的原发表面液泡形态。由表1可以看出，拉伸细化工艺对人发纤维鳞片表层有明显的改性作用，其改性程度随着处理条件的不同而不同[9]。随着拉伸程度的增加，改性程度逐渐增加，当拉伸率低于10%时，纤维改性并不明显；拉伸率大于50%时，纤维表面会有大液泡出现，人发纤维得到明显的改性。拉伸未定形回缩后的人发纤维相对出现液泡的时间更短，在拉伸率20%时即出现了大液泡，如图1(b)所示。

上述现象显然与人发纤维特定的结构有关， 鳞片表层具有良好的化学惰性；鳞片外层主要由角质化蛋白质组成，位于鳞片表层之下，是纤维鳞片层的主要组成部分，胱氨酸残基的比例很高，是毛发结构中含硫量最高的部位[10]。大量的胱氨酸残基以二硫键结合形式存在于鳞片外层，使其微结构十分致密，难以被膨化[7]；鳞片内层由含硫量很低的非角质化蛋白质构成，由于含有丰富的极性氨基酸，化学性质活泼，易于被化学试剂、水等膨化[10]。在拉伸率较大时，人发表面出现特别大的囊泡，可能是鳞片表层的类脂结构具有良好的拉伸性，产生较大的变形，而鳞片层其他部分易被拉破，致使皮质层与鳞片层之间作用力减弱，有“脱节”现象，此时在溴的作用下，水溶性物质大大增加，整个鳞片表层构成了一个整体的半透膜，所以出现了特大液泡。当人发纤维拉伸定形处理后，出现的液泡呈长条状包覆在人发纤维表面，原因是囊泡相互串联成长条状，看起来好像形成连在一起的大液泡[2]。

在拉伸未定形回缩的试样中，这种现象更明显，如图2所示。

图2 回缩处理后人发的Herbig反应情况Fig. 2 Herbig reaction of human hair after retraction treatment.(a) Stretched 10% retraction; (b) Stretched 20% retraction; (c) Stretched 30% retraction; (d) Stretched 40% retraction

造成液泡形成时间更短的原因可能与拉伸细化后鳞片层只能部分恢复有关，即鳞片层出现了不可逆的变形。当拉伸率超过50%时不能回复，在回缩过程中，鳞片层发生堆叠、褶皱，减弱了其贴服毛干上的紧密结构，所以回缩后试样的部分位置形成特大泡，拉伸程度很大的试样回缩后会呈连续的大液泡。综上所述，人发鳞片层是否被破坏和囊泡排列的紧密程度有很大关系。破坏小的情况下，囊泡基本是小而均匀地连续排列；出现特大囊泡的试样，说明鳞片层在拉伸定形处理过程中受到很大的破坏。

3 结 论

1)拉伸细化处理后的人发纤维的Herbig反应与原发有显著的差异，说明拉伸细化过程对人发纤维的鳞片层有较大的改性，随着拉伸程度的增加，改性程度逐渐增加。当拉伸率较大时，人发纤维表面Herbig反应中会出现较大的囊泡，表明鳞片表层和表层以下的鳞片外层在拉伸过程中具有不同的变形能力和回复能力。

2)人发纤维经拉伸后其表面结构及性能均发生变化，处理条件不同，其改性程度也不同。拉伸细化并定形后，人发纤维鳞片层改性程度更大；拉伸不定形回缩后的纤维出现液泡时间更短，且有大液泡产生，表明鳞片层在拉伸过程中发生不可逆变化。

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Effect of slenderizing treatment on scale structure of human hairs and its acting mechanism

XIAO Guizhen1,2, YAO Jinbo1,2, LIU Rong1,2

(1.TextileDivision,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 2.KeyLaboratoryofAdvancedTextileComposite,MinistryofEducation,Tianjin300387,China)

Certain degree changes will occur in the surface morphology, internal structure, and other physicochemical properties of keratin fibers such as human hair and wool fibers during slenderizing treatment. This paper systematically studied the human hair scale layer integrity after slenderizing treatment and the retraction state of the scale layers of the hairs that had not been subjected to setting-relaxation treatment after slenderizing by means of Herbig reaction, compared the effect of different treatment conditions on the modification of human hair scale layer, and explored the mechanism by which the human hair slenderizes. The results showed that the degree of modification of human hair scale layer varies with process conditions; greater modification is observed after stretching-setting treatment; and only stretching without setting results in irreversible change of fiber scale layers. The reaction of cuticular layer of scales to stretching-setting treatment differs greatly from that of the scales layer below the surface.

human hair; slenderizing; scale layer; Herbig reaction

0253- 9721(2013)09- 0017- 04

2012-09-06

2013-04-12

肖桂真(1988—)，女，硕士生。研究方向为纺织材料与纺织品设计。姚金波，通信作者，E-mail: yao-yaojinbo@tjpu.edu.cn。

TS 134.2

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