物理环境对人发结构特性的影响研究

刘开达，刘 双

（1大连市育明高级中学，辽宁 大连 116023；2大连海洋大学，辽宁 大连 116023）

完整的头发，其外观是近圆柱形细丝状。仔细观察，可见根端较大，末端纤细。头发是皮肤的附属器官，分为毛根和毛干两部分。埋在皮肤里的部分为毛根，它是毛发的根部，被毛囊所包围；皮肤以外，露出部位称毛干，其中毛干的游离末端为毛尖［1］。我们通常所说的头发其实是指毛干部分。人发发质的好坏取决于人发结构与组分的完整性，即与其外部形貌、表面结构、内部组分都是密不可分的。文章研究了电吹风、紫外线照射等物理环境对人发形态结构、直径、断裂力的影响，以期为美发与护发、毛纺等行业提供理论参考。

1 实验材料与方法

1.1 实验仪器与材料

1.1.1 实验仪器：

光学显微镜 （Eclipse 80i型，Nikon Instruments inc.），钠光灯（GP20Na低压钠光灯源，浙江光学仪器厂），电子式拉力试验机（LD－5型，长春科新试验仪器有限公司），电吹风，紫外线照射装置。

1.1.2 实验材料：

从同一身体健康的汉族女青年处取得未经任何处理的45根头发，清洗后自然晾干备用。取0.1g头发用电吹风进行吹拂记为电吹风组。将电吹风通电后选至热风档对头发进行吹拂，每次吹拂10分钟，共进行3次。

取0.1g头发用紫外线照射记为紫外线组。先将头发放置于搭建的紫外线照射装置内，然后接通电源对头发进行照射，持续8小时。此过程要注意接通电源后尽量避免眼睛对紫外线照射灯的直视，同时将遮挡帘及时放下，以避免紫外线对人眼造成的伤害。

1.2 实验方法

利用劈尖干涉法测量毛发直径。该方法原理如图1所示，K为视场内暗条纹的数目，D为毛发的直径，λ／2为两相邻暗条纹对应的空气层厚度差，a为两相邻暗条纹的间距，L为发丝与劈尖棱边的距离。［2－3］

图1 劈尖干涉法测定毛发直径

毛发直径可表示为：

一般来说K值较大，为避免计数K出现差错，可先测出长度l间的干涉条纹数x，以及发丝与劈尖棱边的距离为L，得到公式：

λ为钠光灯波长（589nm）。

2 实验结果与讨论

2.1 物理环境对头发表面微观结构的影响

利用光学显微镜200倍及400倍的放大倍率，观察放置于不同物理环境头发表面的微观结构，如图2所示：

图2 头发表面微观结构

由头发表面微观结构可见，使用电吹风热风吹干30分钟、紫外线照射8小时后，头发均出现毛鳞片轮廓模糊、多处翘起及脱落的情况。经过电吹风吹干的头发表面虽有毛鳞片翘起和脱落的状况，但是鳞片轮廓比较清晰，而经过紫外线长时间照射的头发除了鳞片翘起之外颜色也略微偏黄。头发因电吹风的热空气而遭受热降解作用时，其关键是毛鳞片、皮质、细胞间结合物和晶体界面的结构变化［4］。当温度快速升高时，外层毛鳞片迅速收缩而内层和皮质部分均维持原有的膨胀状态，这种内外的不协调极易产生头发裂纹。相反，头发表面温度以较慢的速度升高，毛鳞片和皮质的收缩处于同步状态，裂纹形成几乎为零。因此电吹风会引起头发的热降解，头发表面温度过高，会导致头发色团的分解 和头发纤维的损伤甚至枯焦［5］。高温可导致毛鳞片产生大量的热断裂，在高温条件下进行梳理更可导致毛鳞片大量缺失。图片中毛鳞片翘起、缺失、排列不紧密，正是周期性应力作用下毛鳞片扭曲的主要形状，特别是热应力和张应力联合作用的结果，而经过紫外线照射后头发颜色的改变也正是头发光降解造成的。

2.2 物理环境对头发直径的影响

利用劈尖干涉法分别测量不同物理环境对头发直径的影响如表1所示。由表1可以看出，电吹风组、紫外线组的直径均比未处理组大。经研究发现，当头发的角蛋白被加热，进入头发的水分迅速蒸发，头发中的自由水和结合水也迅速损失，结合水的迅速丢失可能引起皮质内形态学的改变。实验中用到的几种干燥方法均对头发所处的温度进行了升高的改变，造成头发内的水分流失，引起毛鳞片的翘起，而加热更有利于毛鳞片张开，导致毛鳞片大量翘起，因此直径变大。其中电吹风的高温热风是近距离吹拂于头发表面，加之在风力的作用下，头发之间相互摩擦，因此对头发毛鳞片有一定的损伤，所以直径增大比较明显；紫外线虽然也会使周围温度升高，但是并没有电吹风对温度影响大，而由于头发的基本组成是蛋白质，头发在紫外线的作用下，通过理化反应，造成蛋白质结构的变化，因此会使头发的直径较未经任何处理时产生比较明显的改变。

表1 用劈尖干涉测量不同物理环境对头发直径的影响

2.3 物理环境对头发拉伸性能的影响

测试了物理环境对头发断裂力影响，实验结果如表2所示：

表2 物理环境对头发断裂力的影响

从表2中可以看出，经过电吹风和紫外线处理，头发的断裂力较未经任何处理的情况下均明显减小。在热风条件下，由于温度改变较大，头发内层和皮质部分形成一种内部的正高压，高温下外层毛鳞片迅速脱水使得弹性下降，因而易发生断裂，同时，外层毛鳞片由于剥蚀作用失去天然弹性，较低的头发膨胀应力也更易导致断裂的发生，因而会出现断裂力减小的情况。在紫外线照射条件下，虽然并没有较高的温差改变，但是头发蛋白质中的氨基酸在紫外线的作用下，发生的化学反应，使细胞变得易碎，也会使断裂力减小。

头发在高温条件下，外层干燥较快，其收缩较内层和皮质更快，头发内层和皮质部分的膨胀压力形成一种内部的正高压的周围张应力［6］，这会使得头发的弹性降低，在电吹风高温条件下，水分迅速流失也会导致头发外层弹性的下降。而由于头发基本组成的纤维蛋白属于角蛋白家族，它由多种不同的氨基酸组成。头发在紫外线尤其是低波段的作用下，会产生一系列理化反应。特殊的氮基酸氧化作用，特别是从胱胺酸氧化为半胱胺酸的反应，可导致蛋白质结构的变化，产生交叉反应，而使头发纤维失去弹性［7］，因此即使经过紫外线照射的头发在温度条件上并没有明显上升，依旧会使弹力下降。

3 结 论

使用电吹风对头发进行处理的过程中，热风的高温会使头发受到高温的热降解作用以及头发内部压力的改变，造成毛鳞片大量的扭曲、断裂甚至缺失，同时会对头发的弹性等性质也造成不良的影响；使用紫外线照射头发，也会对头发造成一定的损伤。因此，在日常生活中，应尽量避免头发长时间处于高温物理环境中的情况发生。对洗后未干的头发尽可能使其自然晾干，如需使用电吹风也尽量选择冷风进行吹干，如必需使用热风吹发，也应尽量缩短吹发的时间；日常外出如需长时间暴露于阳光下，不但要对皮肤采取防晒措施，也应该通过遮阳伞或防晒帽对头发进行一定的防晒工作。

［1］ 王利利，彭建军，胡诗佳.毛发微观结构的应用与技术发展［J］.野生动物杂志，2008，29（6）：322.

［2］ 刘建晓，殷春英.计算机模拟光波的干涉［J］.大学物理实验，2012，06：3－5.

［3］ 柴学平，杨远平.干涉现象中能量叠加的实验研究［J］.大学物理实验，2012，04：32－35.

［4］ McMullen R，Jachowicz J.Thermal degradation of hair.Effect of curling irons［J］.J Cosmet Sci，1998，49：223.

［5］ Manuel Gamez－Garcia.The cracking of human hair cuticles by cyclical thermal stresses［J］.J Cosmet Sci，1998，49：141.

［6］ 高飞，金锡鹏.物理性因素对头发的影响［J］.日用化学品科学，2000，8（23）：6－10.

［7］ 张甜，王学民.紫外线对头发的损伤以及防晒免洗护发素的修护作用［J］.中华医学美学美容杂志，2009，6（15）：211－213.