毛發(fā)的形態(tài)結(jié)構(gòu)及其拉伸性能

周笑輝,汪 靜,劉 偉,遲建衛(wèi),姜蘭鈺,劉 鑫

(大連海洋大學(xué)理學(xué)院,遼寧大連116023)

1 引 言

毛發(fā)作為哺乳動物所特有的皮膚衍生物,是由表皮的上皮濾泡狀凹陷部分的基質(zhì)細(xì)胞發(fā)育而成.毛發(fā)的微觀結(jié)構(gòu)主要是指毛纖維同心結(jié)構(gòu)中的鱗片、皮質(zhì)和髓質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)[1].1920年,美國的 Hausman[2]發(fā)表了獸類被毛的微觀特點(diǎn),首次指出毛發(fā)的微觀結(jié)構(gòu)存在著種間差異性,有分類意義.20世紀(jì)80年代,關(guān)于毛發(fā)的微觀結(jié)構(gòu)的掃描電鏡鑒定方法進(jìn)一步完善,研究者比較系統(tǒng)地提出了毛發(fā)微觀結(jié)構(gòu)與遺傳和環(huán)境的關(guān)系,將毛發(fā)研究引入了功能形態(tài)學(xué)領(lǐng)域[3].

毛發(fā)鱗片下的皮質(zhì)層是毛發(fā)纖維的主要組成部分,決定著毛發(fā)的主要物理、機(jī)械和化學(xué)性能(如細(xì)度、長度、斷裂伸長、強(qiáng)度、彈性等)[4].毛發(fā)表面不同形態(tài)的鱗片結(jié)構(gòu)對于其皮質(zhì)層的保護(hù)程度存在差別,進(jìn)而影響其拉伸性能.

毛發(fā)受力拉伸時,會產(chǎn)生3種形變[5].當(dāng)外力加到毛發(fā)上時,3種形變同時進(jìn)行.一部分屬于彈性形變,它是由于肽鏈大分子鍵長、鍵角微量變化所形成的;另一部分屬于緩彈形變,它與肚鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)有關(guān),與高能量級氫鍵的解除及二硫鍵的拆散有關(guān);還有一部分形變屬于塑性形變,塑性形變是在外力作用下纖維大分子或大分子鏈段發(fā)生了不可逆的移動(即分子間產(chǎn)生相對滑移).本文總結(jié)了不同毛發(fā)的形態(tài)結(jié)構(gòu),同時測定不同毛發(fā)的拉伸性能,分析毛發(fā)表面結(jié)構(gòu)與拉伸性能的關(guān)系.

2 毛發(fā)的形態(tài)結(jié)構(gòu)比較

實(shí)驗選取了人、馬、貓、狗、兔、羊、狐貍7種實(shí)驗毛發(fā)樣本.由于動物毛發(fā)具有種間差異性,因此本實(shí)驗選用的毛發(fā)樣品均采樣于同一動物個體的同一部位.根據(jù)表面形態(tài)結(jié)構(gòu),將其分為鱗狀、波狀、芽狀和指狀4類.

2.1 鱗狀結(jié)構(gòu)

人發(fā)、馬尾等毛發(fā)表面結(jié)構(gòu)形似鱗片[6](圖1),稱為鱗狀結(jié)構(gòu).它們通常具有比較清晰的界限輪廓,鱗片的大小及分布規(guī)則性不強(qiáng).鱗片單元的軸向間距較大,鱗片之間排列緊密.

圖1 鱗狀結(jié)構(gòu)毛發(fā)形貌

2.2 波狀結(jié)構(gòu)

貓、狗等動物的毛發(fā)的表面結(jié)構(gòu)具有波紋狀[6](圖2).波狀鱗片寬度橫繞毛干全周,每一波狀單元軸向間距較小,波形不十分規(guī)則.貓毛的波紋鱗片之間存在較小的溝槽.

圖2 波狀結(jié)構(gòu)毛發(fā)形貌

2.3 芽狀結(jié)構(gòu)

羊毛、兔毛表面具有芽孢狀鱗片,稱為芽狀結(jié)構(gòu)[6](圖3).沿周長方向芽狀鱗片分布數(shù)目為2～3個.芽孢鱗片的軸向間距較大,鱗片沒有明顯的尖峰,且尖部與底部寬度變化較緩,芽孢鱗片之間存在空隙.

圖3 芽狀結(jié)構(gòu)毛發(fā)形貌

2.4 指狀結(jié)構(gòu)

狐貍毛發(fā)表面具有明顯的指狀結(jié)構(gòu)[6](圖4).指狀鱗片呈尖頂?shù)妊切螤?每一指狀鱗片長度約40μm,底部寬度約為10μm,排列方式為兩排間錯開.指狀鱗片結(jié)構(gòu)之間排列松散.

圖4 指狀結(jié)構(gòu)毛發(fā)形貌

3 拉伸性能實(shí)驗

3.1 毛發(fā)直徑的測量

毛發(fā)直徑直接影響到楊氏彈性模量與抗拉強(qiáng)度.本文利用等厚干涉法測量毛發(fā)直徑,該方法測量結(jié)果精確,操作簡便.實(shí)驗利用的儀器包括移測顯微鏡、鈉光燈等.

等厚干涉法測量毛發(fā)直徑原理如圖5所示.毛發(fā)直徑可表示為

上式中N為視場內(nèi)暗條紋的數(shù)目,d為毛發(fā)絲的直徑,a為兩相鄰暗條紋的間距,λ/2為兩相鄰暗條紋對應(yīng)的空氣層厚度差.實(shí)驗中測量暗條紋的數(shù)目 N,再用式(1)計算出毛發(fā)的直徑.每種結(jié)構(gòu)的毛發(fā)取5根進(jìn)行測量,每根毛發(fā)測量5次后取平均值.

圖5 等厚干涉法測定毛發(fā)直徑

3.2 伸長率的測定

毛發(fā)纖維普遍具有極強(qiáng)的拉伸強(qiáng)度,伸長率為毛發(fā)受力拉伸的伸長量與毛發(fā)原長的比值,毛發(fā)的伸長率在很大程度上反映了毛發(fā)的拉伸強(qiáng)度.本實(shí)驗分別測量了毛發(fā)的彈性伸長率和斷裂伸長率.前者為毛發(fā)受力拉伸發(fā)生最大彈性形變時的伸長量與原長的比值;后者為毛發(fā)受力拉伸發(fā)生斷裂時的伸長量與原長的比值.由于某些毛發(fā)較短,伸長量ΔL不易測出,因此本文采用光桿桿放大原理解決該問題(圖6).

當(dāng)毛發(fā)沒有伸長時,平面鏡垂直于平臺,從標(biāo)尺 r0處發(fā)出的光線經(jīng)平面鏡反射進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡中,并與望遠(yuǎn)鏡中的叉絲橫線對準(zhǔn).當(dāng)加上砝碼后,毛發(fā)受力而伸長ΔL,光杠桿足尖也隨之向下移動ΔL.這樣,平面鏡以前足為支點(diǎn),轉(zhuǎn)過一角度α,鏡面的法線也由水平位置轉(zhuǎn)過α角.由光的反射定律可知,這時從標(biāo)尺 r1處發(fā)出的光線(與水平線夾角為2α)經(jīng)平面鏡反射進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡中,并與叉絲橫線對準(zhǔn),望遠(yuǎn)鏡中2次讀數(shù)之差l=|r1-r0|,由圖7可得,

圖6 利用光杠桿測量伸長量

K為光杠桿后足尖到兩前足尖連線之間垂直距離,D為標(biāo)尺與平面鏡之間的距離,實(shí)際測量過程中 ,α很小 ,所以

消去α,得

這樣,通過平面鏡的旋轉(zhuǎn)和反射光線的變化就把微小位移ΔL轉(zhuǎn)化為容易觀測的位移l,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)伸長率的測量.實(shí)驗中通過標(biāo)尺讀取l,再用式(2)計算毛發(fā)的伸長量.伸長量與毛發(fā)原長的比值即為伸長率.每種結(jié)構(gòu)的毛發(fā)選取10根,分別測量其彈性伸長率與斷裂伸長率,得出其伸長率區(qū)間.

圖7 光杠桿法測定拉伸性能裝置圖

3.3 鱗狀毛發(fā)楊氏模量的測定

楊氏模量是表征在彈性限度內(nèi)物質(zhì)材料抗拉或抗壓的物理量,它是沿縱向的彈性模量.楊氏模量與外力 F、物體的長度L和截面積S的大小無關(guān),而只決定于物體的材料[7].

本實(shí)驗中楊氏模量可表示為

式中:F為毛發(fā)所受拉力,L為毛發(fā)的測量長度,k為光杠桿后足尖到兩前足尖連線之間垂直距離,D為標(biāo)尺與平面鏡之間的距離,d為毛發(fā)的直徑.實(shí)驗利用光桿桿法測量毛發(fā)形變的微小伸長量,以逐差法來處理測量數(shù)據(jù).人發(fā)與馬尾各選取10根進(jìn)行測量后取平均值.

4 結(jié)果與討論

利用等厚干涉法測量的毛發(fā)直徑結(jié)果如表1所示.鱗狀結(jié)構(gòu)的馬尾、人發(fā)直徑遠(yuǎn)大于其他毛發(fā)的直徑;波狀結(jié)構(gòu)毛發(fā)直徑大于指狀與芽狀結(jié)構(gòu)的毛發(fā).根據(jù)毛發(fā)的形態(tài)結(jié)構(gòu)比較,直徑較大的毛發(fā)表面鱗片排列緊湊,重疊程度高,鱗片之間沒有太大的空隙.而毛發(fā)的粗壯程度從根本上決定毛發(fā)的拉伸性能.

表1 不同結(jié)構(gòu)類型毛發(fā)的直徑

不同結(jié)構(gòu)的毛發(fā)具有不同的彈性伸長率和斷裂伸長率(表2).實(shí)驗結(jié)果表明,無論是彈性伸長率還是斷裂伸長率,鱗狀結(jié)構(gòu)毛發(fā)都為最佳,其次分別為芽狀結(jié)構(gòu)毛發(fā)、波狀結(jié)構(gòu)毛發(fā)和指狀結(jié)構(gòu)毛發(fā).其中鱗狀結(jié)構(gòu)的人發(fā)和馬尾伸長率極佳.

基于人發(fā)與馬尾優(yōu)良的彈性拉伸率,本文進(jìn)一步對其楊氏彈性模量進(jìn)行測量,測量結(jié)果如表3所示.測量結(jié)果表明,人發(fā)與馬尾的楊氏模量較大,抗拉性能優(yōu)異.相比較而言,人發(fā)的彈性模量更大,拉伸性能更加優(yōu)異.

根據(jù)實(shí)驗結(jié)果可初步分析出毛發(fā)的拉伸性能與其鱗片的形態(tài)結(jié)構(gòu)有一定關(guān)系.毛發(fā)內(nèi)部的皮質(zhì)層決定了毛發(fā)的拉伸性能,不同形態(tài)結(jié)構(gòu)的鱗片對于皮質(zhì)層的包裹與保護(hù)程度不同.鱗狀結(jié)構(gòu)鱗片結(jié)構(gòu)緊密地包裹在皮質(zhì)層外部,增加了毛發(fā)纖維的彈性與抗拉強(qiáng)度;芽狀結(jié)構(gòu)鱗片在受到拉伸力時,其芽孢狀鱗片會緊密閉合,鱗片間的空隙消失,進(jìn)而包裹住皮質(zhì)層;而波狀結(jié)構(gòu)和指狀結(jié)構(gòu)鱗片由于鱗片之間排列松散,因此在拉伸時不會緊密包裹皮質(zhì)層,對皮質(zhì)層的保護(hù)有限.

表2 不同結(jié)構(gòu)類型毛發(fā)的伸長率區(qū)間

表3 鱗狀結(jié)構(gòu)毛發(fā)的楊氏彈性模量

5 結(jié)束語

本文測量了幾種毛發(fā)的直徑、伸長率及楊氏模量等拉伸性能,結(jié)合其不同的形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析.實(shí)驗結(jié)果表明,毛發(fā)的形態(tài)結(jié)構(gòu)對其拉伸性能存在著影響,鱗狀結(jié)構(gòu)毛發(fā)的拉伸性能為最佳.本文所利用的實(shí)驗儀器與實(shí)驗方法常見于大學(xué)物理實(shí)驗,因此適合在實(shí)驗教學(xué)中將本題目作為研究性實(shí)驗項目開設(shè),使學(xué)生在學(xué)習(xí)中體會到將所學(xué)大學(xué)物理技術(shù)與知識應(yīng)用于生物學(xué)科中的樂趣,激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性,提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力.

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