拉伸處理對人發(fā)鱗片結(jié)構(gòu)的影響及其作用機制

肖桂真， 姚金波， 劉 榮

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)部， 天津 300387; 2. 先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點實驗室， 天津 300387)

拉伸處理對人發(fā)鱗片結(jié)構(gòu)的影響及其作用機制

肖桂真1，2， 姚金波1,2， 劉 榮1,2

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)部， 天津 300387; 2. 先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點實驗室， 天津 300387)

人發(fā)等角蛋白纖維在拉伸細(xì)化過程中，其表面形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及理化性能均會發(fā)生一定程度的變化。通過溴阿爾瓦登(Herbig)反應(yīng)現(xiàn)象，系統(tǒng)研究了人發(fā)纖維鱗片層經(jīng)拉伸細(xì)化處理后的完整性和未經(jīng)定形回縮處理纖維鱗片層的回復(fù)狀態(tài)，比較了不同處理條件對人發(fā)鱗片層改性作用的差異，進(jìn)一步探討人發(fā)拉伸細(xì)化改性的機制。結(jié)果表明：隨處理條件不同，人發(fā)鱗片表層的改性程度也不同；拉伸定形后，鱗片層改性程度更大；拉伸不定形而回縮處理后纖維的鱗片層會發(fā)生不可逆的變化，鱗片表層和鱗片外層對拉伸定形處理的反應(yīng)情況大不相同。

人發(fā)； 拉伸細(xì)化； 鱗片層； 溴阿爾瓦登反應(yīng)

人發(fā)是由角質(zhì)細(xì)胞聚集構(gòu)成的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的角蛋白纖維，其形態(tài)結(jié)構(gòu)可分成3部分：包覆在人發(fā)表面的鱗片層、組成人發(fā)主要實體部分的皮質(zhì)層、髓質(zhì)層[1]。鱗片層又稱毛小皮，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可細(xì)分為鱗片表層(epicuticle)、鱗片外層(exocuticle)、鱗片內(nèi)層(endocuticle)，其中，鱗片表層是鱗片細(xì)胞的最外層，也稱為表皮細(xì)胞薄膜層，平均厚度約5 nm，每個鱗片表面均由該層組織覆蓋，具備半透膜的性質(zhì)，且耐堿、氧化劑、還原劑和蛋白酶等，體現(xiàn)出良好的化學(xué)惰性[2]。在鱗片各亞層中，雖然鱗片表層的含量最少，但卻是研究的重點之一[3]。當(dāng)毛發(fā)纖維浸入飽和氯(或溴)水中時，鱗片表層高濃度的二硫鍵可以經(jīng)過氧化作用形成水溶性蛋白，在水的強烈膨化作用下，強大的滲透壓使未受到損傷的鱗片外層較厚的部位領(lǐng)先膨化，形成凸起的囊泡，并整齊的排列在纖維四周[4-5]，這種現(xiàn)象即為阿爾瓦登(Allworden)反應(yīng)，它是研究鱗片表層結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的一種有效方法。如果鱗片表層嚴(yán)重?fù)p傷或者被去除，或者角質(zhì)層蛋白質(zhì)預(yù)先被降解成低分子質(zhì)量的物質(zhì)而在纖維溶脹前易于擴散出來，則囊泡會延遲出現(xiàn)或者根本不會發(fā)生[6]。因此，毛發(fā)是否能發(fā)生Allworden反應(yīng)，是判斷鱗片表層完整性的一個有效依據(jù)[7]。

人發(fā)纖維經(jīng)過拉伸細(xì)化工藝處理后，鱗片層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了變化，因此鱗片表層會隨拉伸條件的不同而得到不同程度的改性。本文以飽和溴水作為氧化劑，通過溴阿爾瓦登(Herbig反應(yīng))實驗判定鱗片層的完整性，進(jìn)而揭示人發(fā)在拉伸細(xì)化條件下的變化規(guī)律。

1 實驗部分

1.1 材料及儀器

表1 人發(fā)樣品拉伸細(xì)化的實驗結(jié)果Tab. 1 Human hair samples slenderizing experimental results

注：定形程度S=(L-L0)/L0×100%，L0為纖維的原長，L為纖維經(jīng)定形工藝自然晾干后長度。

實驗材料采用工廠提供的化妝用人發(fā)纖維。儀器包括HH-4型恒溫水浴鍋(金華市科興公司)，自制蒸汽發(fā)生器，自制拉伸細(xì)化設(shè)備，電子分析天平(Mettler-Torida儀器有限公司)，VHX-1000型數(shù)碼顯微系統(tǒng)(基恩士公司)。

復(fù)配預(yù)處理劑、復(fù)配H2O2定形劑、飽和溴水(天津科密歐有限公司)。

1.2 拉伸定形工藝流程

拉伸定形工藝為：30%復(fù)配預(yù)處理試劑→預(yù)處理工藝(水浴30 min、溫度70 ℃)→拉伸工藝(速率20 mm/min、汽蒸環(huán)境)→雙氧水復(fù)配定形試劑，汽蒸環(huán)境下定形。

1.3 鱗片完整性觀察

人發(fā)試樣采用3種工藝處理：

工藝1：原發(fā)充分水洗，用烷基磺酸鈉去除表面油脂和雜質(zhì)，自然晾干。

工藝2：按上述拉伸細(xì)化工藝處理試樣。拉伸率分別設(shè)定為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%。定形劑用量為6%，得到不同的拉伸定形細(xì)化纖維。

工藝3：按上述拉伸細(xì)化工藝處理試樣。拉伸率設(shè)定為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%。不經(jīng)定形處理，得到拉伸不定形的纖維，再用70 ℃溫水浸泡5 min，制得回縮纖維。

利用VHX-1000型數(shù)碼顯微系統(tǒng)對試樣進(jìn)行分析。將試樣放在載玻片上，滴2滴飽和溴水，在數(shù)碼顯微系統(tǒng)下計時觀察反應(yīng)情況，并記錄纖維表面Herbig反應(yīng)狀態(tài)。每種試樣取20根，取具有普遍意義的圖像進(jìn)行分析。

2 實驗結(jié)果與分析

人發(fā)經(jīng)拉伸細(xì)化后，其纖維表面形態(tài)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)均會發(fā)生變化，明顯變細(xì)，鱗片細(xì)胞變長變薄，邊緣有翹起，鱗片密度減小，纖維結(jié)晶度增大，晶粒結(jié)構(gòu)趨于緊密完善，密度增加[8]。鑒于鱗片層在拉伸過程中的變化，顯然可以通過Allworden反應(yīng)來分析鱗片結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。

溴阿爾瓦登反應(yīng)(Herbig反應(yīng))就是將具有鱗片層的纖維浸漬在溴水中時，纖維表面會出現(xiàn)不同程度的液泡，液泡的形成源于膜的半滲透性[1]，反應(yīng)現(xiàn)象如表1所示。原發(fā)及經(jīng)定形處理后人發(fā)的Herbig反應(yīng)情況如圖1所示。

圖1 原發(fā)及經(jīng)定形處理后人發(fā)的Herbig反應(yīng)情況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

液泡大小及形成時間的變化，直接說明了鱗片表層已發(fā)生變化[3]。具有完整鱗片結(jié)構(gòu)的纖維表面所產(chǎn)生的液泡均勻，呈串珠狀，1個液泡覆蓋1個鱗片表面，偶爾也會覆蓋在2個或幾個鱗片的表面，如圖1(a)所示的原發(fā)表面液泡形態(tài)。由表1可以看出，拉伸細(xì)化工藝對人發(fā)纖維鱗片表層有明顯的改性作用，其改性程度隨著處理條件的不同而不同[9]。隨著拉伸程度的增加，改性程度逐漸增加，當(dāng)拉伸率低于10%時，纖維改性并不明顯；拉伸率大于50%時，纖維表面會有大液泡出現(xiàn)，人發(fā)纖維得到明顯的改性。拉伸未定形回縮后的人發(fā)纖維相對出現(xiàn)液泡的時間更短，在拉伸率20%時即出現(xiàn)了大液泡，如圖1(b)所示。

上述現(xiàn)象顯然與人發(fā)纖維特定的結(jié)構(gòu)有關(guān)， 鱗片表層具有良好的化學(xué)惰性；鱗片外層主要由角質(zhì)化蛋白質(zhì)組成，位于鱗片表層之下，是纖維鱗片層的主要組成部分，胱氨酸殘基的比例很高，是毛發(fā)結(jié)構(gòu)中含硫量最高的部位[10]。大量的胱氨酸殘基以二硫鍵結(jié)合形式存在于鱗片外層，使其微結(jié)構(gòu)十分致密，難以被膨化[7]；鱗片內(nèi)層由含硫量很低的非角質(zhì)化蛋白質(zhì)構(gòu)成，由于含有豐富的極性氨基酸，化學(xué)性質(zhì)活潑，易于被化學(xué)試劑、水等膨化[10]。在拉伸率較大時，人發(fā)表面出現(xiàn)特別大的囊泡，可能是鱗片表層的類脂結(jié)構(gòu)具有良好的拉伸性，產(chǎn)生較大的變形，而鱗片層其他部分易被拉破，致使皮質(zhì)層與鱗片層之間作用力減弱，有“脫節(jié)”現(xiàn)象，此時在溴的作用下，水溶性物質(zhì)大大增加，整個鱗片表層構(gòu)成了一個整體的半透膜，所以出現(xiàn)了特大液泡。當(dāng)人發(fā)纖維拉伸定形處理后，出現(xiàn)的液泡呈長條狀包覆在人發(fā)纖維表面，原因是囊泡相互串聯(lián)成長條狀，看起來好像形成連在一起的大液泡[2]。

在拉伸未定形回縮的試樣中，這種現(xiàn)象更明顯，如圖2所示。

圖2 回縮處理后人發(fā)的Herbig反應(yīng)情況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

造成液泡形成時間更短的原因可能與拉伸細(xì)化后鱗片層只能部分恢復(fù)有關(guān)，即鱗片層出現(xiàn)了不可逆的變形。當(dāng)拉伸率超過50%時不能回復(fù)，在回縮過程中，鱗片層發(fā)生堆疊、褶皺，減弱了其貼服毛干上的緊密結(jié)構(gòu)，所以回縮后試樣的部分位置形成特大泡，拉伸程度很大的試樣回縮后會呈連續(xù)的大液泡。綜上所述，人發(fā)鱗片層是否被破壞和囊泡排列的緊密程度有很大關(guān)系。破壞小的情況下，囊泡基本是小而均勻地連續(xù)排列；出現(xiàn)特大囊泡的試樣，說明鱗片層在拉伸定形處理過程中受到很大的破壞。

3 結(jié) 論

1)拉伸細(xì)化處理后的人發(fā)纖維的Herbig反應(yīng)與原發(fā)有顯著的差異，說明拉伸細(xì)化過程對人發(fā)纖維的鱗片層有較大的改性，隨著拉伸程度的增加，改性程度逐漸增加。當(dāng)拉伸率較大時，人發(fā)纖維表面Herbig反應(yīng)中會出現(xiàn)較大的囊泡，表明鱗片表層和表層以下的鱗片外層在拉伸過程中具有不同的變形能力和回復(fù)能力。

2)人發(fā)纖維經(jīng)拉伸后其表面結(jié)構(gòu)及性能均發(fā)生變化，處理條件不同，其改性程度也不同。拉伸細(xì)化并定形后，人發(fā)纖維鱗片層改性程度更大；拉伸不定形回縮后的纖維出現(xiàn)液泡時間更短，且有大液泡產(chǎn)生，表明鱗片層在拉伸過程中發(fā)生不可逆變化。

FZXB

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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，碩士生。研究方向為紡織材料與紡織品設(shè)計。姚金波，通信作者，E-mail: yao-yaojinbo@tjpu.edu.cn。

TS 134.2

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