Ухудшение состояния поверхности волос: важность 18-МЕА и эпикутикулы
2019 Косметика, 6(2), 31; https://doi.org/10.3390/cosmetics6020031
Аннотация
В этой статье рассматривается ухудшение состояния поверхности волос. Свойства поверхности, такие как гидрофобность и поверхностное трение, изменяются по мере ухудшения поверхностных структур волокна волоса, то есть 18-метилейкозановой кислоты (18-МЭА) и эпикутикулы. Сравнение угла контакта и количества 18-МЭА от корней до кончиков отобранных волосяных волокон прояснило вклад не только 18-МЭА, но и эпикутикулы в свойства поверхности. Было обнаружено, что химической обработки самой по себе, такой как обесцвечивание, недостаточно, чтобы вызвать полную потерю гидрофобности даже после удаления 18-МЭА. Требуются дополнительные процессы защиты от атмосферных воздействий, такие как многократное мытье головы шампунем. Представлена технология придания стойкой гидрофобности обесцвеченным и обветренным поверхностям волос с использованием 18-МЭА. Комбинация 18-МЭА со специфическими катионными поверхностно-активными веществами (стеароксипропилдиметиламин: SPDA) сделала обесцвеченную и обветренную поверхность волос гидрофобной, и ее гидрофобность сохранялась даже после мытья шампунем. Характеристика адсорбированных слоев 18-MEA /SPDA на поверхности слюды, как возможной модели гидрофильной поверхности, была выполнена с использованием атомно-силовой микроскопии (АСМ) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (AR-XPS). Влияние антей-ответвленной части 18-МЭА на создание стойкой гидрофобности с помощью 18-МЭА / SPDA было исследовано с помощью контролируемого АСМ. Было обнаружено, что антей-ответвленная часть 18-MEA в системе 18-MEA / SPDA обладает стойкой гидрофобностью, обеспечивая более высокую текучесть верхней области слоя 18-MEA / SPDA. В этой статье описан вклад в красоту волос и сенсорные ощущения как одной из практических функций поверхности волос. Гидрофобная природа поверхности волос уменьшает поверхностное трение во влажном состоянии, что уменьшает беспорядочное выравнивание волос. Также выявлено, что ощущение увлажненности или сухости сильно зависит от формы волос (извилистости и диаметра), которая зависит от свойств поверхности волос во влажной среде.
Ключевые слова: 18-МЭА; эпикутикула; поверхность волос
1. Введение
Здоровые и красивые волосы желательны для многих женщин с волосами, поврежденными химическими обработками, термической укладкой и факторами окружающей среды. Для улучшения красоты волос были разработаны различные средства по уходу за волосами. Детальное знание структуры поверхности и свойств волос необходимо для разработки уникальных технологий ухода за волосами. Кутикула расположена снаружи волокон волоса, защищая кортекс. Было высказано предположение, что самая внешняя поверхность клеток кутикулы покрыта монослоем ковалентно связанных жирных кислот, основным компонентом которых является 18-метилейкозановая кислота (18-МЭА) [1,2, 3,4].
18-МЭА - необычная жирная кислота с разветвленной цепью. Он ковалентно связан, возможно, через тиоэфирную или сложноэфирную связь, с поверхностью кутикулы волосяных волокон [5, 6, 7,8]. Известно, что 18-МЭА создает гидрофобную поверхность и действует как граничная смазка для снижения сопротивления трению между волокнами волос [9, 10, 11, 12, 13,14].
18-МЭА легко удаляется щелочными процедурами, такими как окрашивание волос или перманентная завивка, и поверхность становится гидрофильной, а трение увеличивается [13,14]. Потеря 18-МЕ считается одной из причин увеличения трения на поверхности кутикулы. Это может влиять на сенсорное восприятие волос, например, на ощущение сухости и их трудно расчесывать / проводить пальцами [11].
Цель этой обзорной статьи - описать эти моменты, в основном сосредоточив внимание на ухудшении состояния и восстановлении поверхности волос.
2. Материалы и методы
2.1. Материалы
2.1.1. Волокна волос
Образцы волосяных волокон для изучения взаимосвязи между свойствами поверхности и количеством 18-МЭА готовили следующим образом. Волокна волос были любезно предоставлены 48 японскими женщинами, срезанными с корнем. После мытья каждое волокно было срезано с интервалом 5 см от корня до кончика. Китайские волосы, светлые волосы и волосы брюнетки также были любезно предоставлены женщинами-добровольцами. Количество добровольцев составило 19 для китайских волос, 19 для светлых волос и 11 для темных волос. Эти волокна волос были обработаны по той же процедуре, что и японские волосы.
Необработанные волосы, обесцвеченные волосы (B4 hair) и обесцвеченные и обветренные волосы (B4W hair) для изучения вклада эпикутикулы в свойства поверхности были подготовлены следующим образом. Волокна для волос были любезно предоставлены японками, у которых не было опыта химической обработки волос. Волокна для волос были срезаны с корня. Волосы B4 были подготовлены путем четырехкратной обработки отбеливающим лосьоном в течение 20 минут. Состав обесцвечивающего лосьона приведен в таблице 1. Волосы B4W были подготовлены путем 4-кратного обесцвечивания в сочетании с модельным выветриванием 360 раз. между каждым обесцвечиванием проводилось 90-кратное модельное выветривание. Процедура описана в следующей статье [15]. Состав шампуня приведен в таблице 2 .
В этой статье рассматривается ухудшение состояния поверхности волос. Свойства поверхности, такие как гидрофобность и поверхностное трение, изменяются по мере ухудшения поверхностных структур волокна волоса, то есть 18-метилейкозановой кислоты (18-МЭА) и эпикутикулы. Сравнение угла контакта и количества 18-МЭА от корней до кончиков отобранных волосяных волокон прояснило вклад не только 18-МЭА, но и эпикутикулы в свойства поверхности. Было обнаружено, что химической обработки самой по себе, такой как обесцвечивание, недостаточно, чтобы вызвать полную потерю гидрофобности даже после удаления 18-МЭА. Требуются дополнительные процессы защиты от атмосферных воздействий, такие как многократное мытье головы шампунем. Представлена технология придания стойкой гидрофобности обесцвеченным и обветренным поверхностям волос с использованием 18-МЭА. Комбинация 18-МЭА со специфическими катионными поверхностно-активными веществами (стеароксипропилдиметиламин: SPDA) сделала обесцвеченную и обветренную поверхность волос гидрофобной, и ее гидрофобность сохранялась даже после мытья шампунем. Характеристика адсорбированных слоев 18-MEA /SPDA на поверхности слюды, как возможной модели гидрофильной поверхности, была выполнена с использованием атомно-силовой микроскопии (АСМ) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (AR-XPS). Влияние антей-ответвленной части 18-МЭА на создание стойкой гидрофобности с помощью 18-МЭА / SPDA было исследовано с помощью контролируемого АСМ. Было обнаружено, что антей-ответвленная часть 18-MEA в системе 18-MEA / SPDA обладает стойкой гидрофобностью, обеспечивая более высокую текучесть верхней области слоя 18-MEA / SPDA. В этой статье описан вклад в красоту волос и сенсорные ощущения как одной из практических функций поверхности волос. Гидрофобная природа поверхности волос уменьшает поверхностное трение во влажном состоянии, что уменьшает беспорядочное выравнивание волос. Также выявлено, что ощущение увлажненности или сухости сильно зависит от формы волос (извилистости и диаметра), которая зависит от свойств поверхности волос во влажной среде.
Ключевые слова: 18-МЭА; эпикутикула; поверхность волос
1. Введение
Здоровые и красивые волосы желательны для многих женщин с волосами, поврежденными химическими обработками, термической укладкой и факторами окружающей среды. Для улучшения красоты волос были разработаны различные средства по уходу за волосами. Детальное знание структуры поверхности и свойств волос необходимо для разработки уникальных технологий ухода за волосами. Кутикула расположена снаружи волокон волоса, защищая кортекс. Было высказано предположение, что самая внешняя поверхность клеток кутикулы покрыта монослоем ковалентно связанных жирных кислот, основным компонентом которых является 18-метилейкозановая кислота (18-МЭА) [1,2, 3,4].
18-МЭА - необычная жирная кислота с разветвленной цепью. Он ковалентно связан, возможно, через тиоэфирную или сложноэфирную связь, с поверхностью кутикулы волосяных волокон [5, 6, 7,8]. Известно, что 18-МЭА создает гидрофобную поверхность и действует как граничная смазка для снижения сопротивления трению между волокнами волос [9, 10, 11, 12, 13,14].
18-МЭА легко удаляется щелочными процедурами, такими как окрашивание волос или перманентная завивка, и поверхность становится гидрофильной, а трение увеличивается [13,14]. Потеря 18-МЕ считается одной из причин увеличения трения на поверхности кутикулы. Это может влиять на сенсорное восприятие волос, например, на ощущение сухости и их трудно расчесывать / проводить пальцами [11].
Цель этой обзорной статьи - описать эти моменты, в основном сосредоточив внимание на ухудшении состояния и восстановлении поверхности волос.
- Чтобы лучше понять взаимосвязь между свойствами поверхности и количеством 18-МЭА.
- Уточнить вклад эпикутикулы в свойства поверхности, такие как гидрофобность.
- Восстановить гидрофобный слой на поверхности волос с использованием 18-МЭА и прояснить роль антей-ветви на конце алкильной цепи 18-МЭА.
- Чтобы прояснить вклад 18-МЭА в практические аспекты, такие как внешний вид волос и сенсорное восприятие.
2. Материалы и методы
2.1. Материалы
2.1.1. Волокна волос
Образцы волосяных волокон для изучения взаимосвязи между свойствами поверхности и количеством 18-МЭА готовили следующим образом. Волокна волос были любезно предоставлены 48 японскими женщинами, срезанными с корнем. После мытья каждое волокно было срезано с интервалом 5 см от корня до кончика. Китайские волосы, светлые волосы и волосы брюнетки также были любезно предоставлены женщинами-добровольцами. Количество добровольцев составило 19 для китайских волос, 19 для светлых волос и 11 для темных волос. Эти волокна волос были обработаны по той же процедуре, что и японские волосы.
Необработанные волосы, обесцвеченные волосы (B4 hair) и обесцвеченные и обветренные волосы (B4W hair) для изучения вклада эпикутикулы в свойства поверхности были подготовлены следующим образом. Волокна для волос были любезно предоставлены японками, у которых не было опыта химической обработки волос. Волокна для волос были срезаны с корня. Волосы B4 были подготовлены путем четырехкратной обработки отбеливающим лосьоном в течение 20 минут. Состав обесцвечивающего лосьона приведен в таблице 1. Волосы B4W были подготовлены путем 4-кратного обесцвечивания в сочетании с модельным выветриванием 360 раз. между каждым обесцвечиванием проводилось 90-кратное модельное выветривание. Процедура описана в следующей статье [15]. Состав шампуня приведен в таблице 2 .
Необработанные волосы, а также обесцвеченные и обветренные волосы для изучения регенерации гидрофобного слоя на поверхности волос с использованием 18-МЭА были подготовлены следующим образом. Волокна волос были любезно предоставлены японкой. Волокна были срезаны примерно в 20 см от конца корня. Волосы никогда не обрабатывались никакими химическими средствами. Обесцвеченные и обветренные волосы были подготовлены по той же процедуре, что и для волос B4W.
Подготовка удаленных волос с содержанием 18-МЭА для изучения вклада 18-МЭА в внешний вид волос заключалась в следующем. Волокна волос, любезно предоставленные японской женщиной, обрабатывали раствором 0,1 М трибутоксида калия в трибутаноле в течение 5 минут при комнатной температуре и соотношении щелок: волокно 10:1. Затем щелочь удаляли ополаскиванием волос т-бутанолом (2 раза), этанолом и, наконец, промыванием водой.
Волокна волос для изучения формы волос и сенсорного восприятия были подготовлены следующим образом. Волокна волос были любезно предоставлены 19 японками. Волокна были срезаны на расстоянии примерно 15 см от корня на затылке. 19 образцов волос (длиной 20-25 см, весом 15-20 г), которые подверглись различным повреждениям. Образцы волос были вымыты обычным шампунем, состав которого указан в таблице 1. Затем влажные образцы волос были высушены полотенцем, а затем сушкой на воздухе без натяжения.
2.1.2. Слюда как модель гидрофильной поверхности
Свежий лист слюды использовался в качестве модели гидрофильной поверхности обесцвеченных и обветренных волос. Листы слюды размером приблизительно 10 мм × 10 мм × 0,1 мм были расколоты с обеих сторон непосредственно перед использованием. Затем их погружали в раствор кондиционера на 1 минуту при температуре 40°C. Затем пластинки слюды промывали под струей дистиллированной воды в течение 30 секунд и высушивали естественным путем.
Процедура обработки кондиционера слюдой была следующей. Листы слюды погружали в раствор кондиционера на 1 минуту при температуре 40°C. Затем пластинки слюды промывали под струей дистиллированной воды в течение 30 секунд и высушивали естественным путем.
2.1.3. Химические вещества
18-метилейкозановая кислота (18-МЭА) и стеароксипропилдиметиламин (SPDA) были получены химическим синтезом [16,17]. В продаже имелись и другие химические вещества.
2.2. Методы
2.2.1. Количество 18-МЭА и сульфонатной группы на поверхности волос
Полуколичественный анализ 18-МЭА и сульфонатной группы на поверхности волосяного волокна проводили с помощью прибора для масс-спектрометрии вторичных ионов с временным интервалом пролета (TOF-SIMS) IV (ION-TOF GmbH, Мюнстер, Германия) с использованием первичных ионов Bi32 + с энергией 25 кэВ в сильноточном сгруппированном режиме. Область анализа размером 50 мкм × 50 мкм была случайным образом растрирована первичными ионами и компенсирована зарядом за счет заполнения электронами низкой энергии. Количество 18-МЭА и сульфонатной группы выражали как относительный выход ионов 18-МЭА по сравнению с выходом ионов CN, который был получен из белков волос [18]. В этом исследовании ион CN использовался для нормализации, поскольку матрицей поверхности волос является кератиновый белок, и ион CN был четко обнаружен при измерении образцов волос методом TOF-SIMS.
Атомную концентрацию S (IV), которая пропорциональна количеству сульфонатной группы [19], измеряли методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) с использованием прибора PHI Quantera SXM (Ulvac PHI, Канагава, Япония), оснащенного монохроматизированным и сфокусированным рентгеновским пучком Al Ka. Все измерения XPS проводились с использованием сфокусированного источника рентгеновского излучения (диаметр 100 мкм; мощность 25 Вт) с энергией прохождения фотоэлектронов 112 эВ. Компенсация заряда образцов осуществлялась с помощью двухлучевой системы компенсации заряда, которая использует как источник электронного потока, так и низкоэнергетическую аргоно-ионную распылительную пушку. Значения энергии связывания были скорректированы относительно пика C1s на уровне 284,8 эВ.
2.2.2. Измерение свойств поверхности волос.
Динамические контактные углы (опережающий контактный угол и отступающий контактный угол) измеряли методом Вильгельми [20,21] с использованием тензиометра K100MK2 (Krüss GmbH, Гамбург, Германия). Отдельные волокна волоса сканировали на расстоянии более 3 мм со скоростью 2 мм /мин в режиме продвижения. Динамические углы соприкосновения рассчитывали по формулеF = π d γ cosθгде F - сила смачивания, d - диаметр волоса, γ - поверхностное натяжение воды и θ - угол соприкосновения жидкости с поверхностью волокна. Диаметр волосяного волокна измеряли на поперечном сечении каждого волокна с помощью вращающейся системы измерения диаметра волокон, оснащенной лазером (Kato Tech Co., Киото, Япония) при температуре 20° C и относительной влажности (RH) 65%. Измерения силы смачивания также проводились при 20 ° C, относительной влажности 65%.
Модуль упругости поверхности волокон волос во влажной среде измеряли методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) наноиндентирования с использованием многомодового наноскопа V, оснащенного жидкостной ячейкой (Bruker, Санта-Барбра, Калифорния, США). Кривые силы−смещения были получены методом сила-объем (16 × 16 точек на площади 3 мкм × 3 мкм) с использованием силиконовых зондов (NCHV). Модуль Юнга во всех точках определялся путем подгонки кривой на основе модели Герца.
Фрикционные свойства поверхности волос во влажной среде измерялись с помощью наноскопа III Dimension 3000 (Veeco Instruments, Санта-Барбра, Калифорния, США). Данные микроскопии силы трения (FFM) были получены с использованием немодифицированных кантилеверов из нитрида кремния (Si-N) (коэффициент упругости 0,12 Нм-1). После соприкосновения кончика с поверхностью кутикулы кончик сканировали параллельно продольной оси волокна. Для характеристики фрикционных свойств были выполнены сканы поверхностей кутикулы размером 2 × 2 мкм (без краев).
Фрикционные свойства поверхности волос в сухой среде измеряли с помощью тестера трения KES-SE (Kato Tech Co., Киото, Япония). Пряди волос укладывались на стеклянную пластину таким образом, чтобы все пряди были разделены и параллельны друг другу с интервалом в 5 мм. Тест проводился при температуре 20 ° C и относительной влажности 65%.
Характеристику теплопередачи (max) волос измеряли с помощью пальцевого робота Thermo Labo KEF-F7 (Kato Tech Co., Киото, Япония) [22]. Датчик, покрытый силиконовой резиной, которая обладает свойствами, аналогичными свойствам кожи человека, нагревали до 36 ° C. При соприкосновении датчика с прядью волос тепло передавалось от датчика температуры к пряди волос. На основе изменений температуры измеряли скорость теплопередачи “q”, а затем вычисляли пиковое значение “qmax”.
2.2.3. Измерение поверхностных свойств адсорбированного слоя на слюде
АСМ-изображения адсорбированного слоя на поверхностях слюды были получены с помощью многорежимного АСМ Nanoscope IIIa (Veeco Instruments, Санта-Барбара, Калифорния, США) с электронным сканером. Для получения топографических изображений адсорбированных слоев мембраны использовалась визуализация в режиме постукивания. Чтобы гарантировать, что визуализация мембраны не повредит ее, усилие постукивания было установлено на минимально возможном уровне. Номинальные значения упругости кантилеверов, по сообщению производителя, составляют 20-100 Н / м. Все изображения, представленные в этой работе, были получены воспроизводимо по крайней мере в трех точках на поверхности образцов. Изображения были получены с частотой сканирования 0,5 или 1,0 Гц и были сглажены с помощью полинома первого порядка перед анализом.
Механические свойства адсорбированной мембраны анализировали методом АСМ-царапания [23,24,25,26] с использованием многорежимного АСМ Nanoscope IIIa. Расчесывание адсорбированной мембраны выполняли в контактном режиме с постоянным усилием и использовали микроизготовленный наконечник из нитрида кремния (Si-N) и кантилевер, имеющий постоянную упругость 0,38 Н/м. Сначала было получено изображение (обычно 5 мкм × 5 мкм) адсорбированной мембраны, затем была отсканирована меньшая область (обычно 1 мкм × 1 мкм) при сильном прижатии кончика к поверхности. После этого сканирование повторяли на большей площади. Далее этот метод называется “царапанием”. Таким образом, если адсорбированный слой был прочно прикреплен к поверхности, его было труднее удалить.
Измерения толщины адсорбированных слоев на поверхностях слюды были получены с помощью многорежимного АСМ NanoScope V (Veeco Instruments, Санта-Барбара, Калифорния, США), оснащенного датчиком контроля окружающей среды, а температуру подложки контролировали с помощью ступени нагрева, которая была модифицирована для программирования. Сначала измеряли толщину мембраны при комнатной температуре, затем температуру на стадии отбора образцов снижали со скоростью 1°C/мин до температуры (25°C, 15°C, 5°C, 0°C, -5°C и -10°C), при которой она поддерживалась не менее часа.
Молекулярную ориентацию слоя 18-MEA/SPDA определяли методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ARXPS) [15], который является неразрушающим методом для получения информации об элементном и химическом состоянии в зависимости от глубины. Данные ARXPS были получены с использованием спектрометра Quantera SXM (ULVAC PHI, Канагава, Япония) с монохроматизированным источником рентгеновского излучения Al Ka при напряжении 15 кВ и 25 Вт. Обзорные спектры регистрировались при угле взлета 45° и энергии прохождения 280 эВ с помощью анализатора с цилиндрическим зеркалом. Спектры с угловым разрешением были записаны при пяти углах взлета, 70, 45, 25, 15, 10 градусах в режиме высокого энергетического разрешения с энергией прохождения 112 эВ.
3. Результаты
3.1. Взаимосвязь между свойствами поверхности и количеством 18-МЭА
Была исследована взаимосвязь между динамическими углами контакта (опережающими и отступающими) и полуколичественным количеством 18-МЭА на поверхности волос, измеренным с помощью TOF-SIMS [18]. В дополнение к японским волосам, такие же измерения были проведены для китайских волос, светлых волос и волос брюнетки. Рисунок 1 иллюстрирует взаимосвязь между динамическими углами контакта (опережающими и отступающими) и полуколичественным количеством 18-МЭА на поверхности волос, измеренным с помощью TOF-SIMS. Синие квадраты указывают на увеличивающийся угол соприкосновения, а красные треугольники - на уменьшающийся угол соприкосновения.
Подготовка удаленных волос с содержанием 18-МЭА для изучения вклада 18-МЭА в внешний вид волос заключалась в следующем. Волокна волос, любезно предоставленные японской женщиной, обрабатывали раствором 0,1 М трибутоксида калия в трибутаноле в течение 5 минут при комнатной температуре и соотношении щелок: волокно 10:1. Затем щелочь удаляли ополаскиванием волос т-бутанолом (2 раза), этанолом и, наконец, промыванием водой.
Волокна волос для изучения формы волос и сенсорного восприятия были подготовлены следующим образом. Волокна волос были любезно предоставлены 19 японками. Волокна были срезаны на расстоянии примерно 15 см от корня на затылке. 19 образцов волос (длиной 20-25 см, весом 15-20 г), которые подверглись различным повреждениям. Образцы волос были вымыты обычным шампунем, состав которого указан в таблице 1. Затем влажные образцы волос были высушены полотенцем, а затем сушкой на воздухе без натяжения.
2.1.2. Слюда как модель гидрофильной поверхности
Свежий лист слюды использовался в качестве модели гидрофильной поверхности обесцвеченных и обветренных волос. Листы слюды размером приблизительно 10 мм × 10 мм × 0,1 мм были расколоты с обеих сторон непосредственно перед использованием. Затем их погружали в раствор кондиционера на 1 минуту при температуре 40°C. Затем пластинки слюды промывали под струей дистиллированной воды в течение 30 секунд и высушивали естественным путем.
Процедура обработки кондиционера слюдой была следующей. Листы слюды погружали в раствор кондиционера на 1 минуту при температуре 40°C. Затем пластинки слюды промывали под струей дистиллированной воды в течение 30 секунд и высушивали естественным путем.
2.1.3. Химические вещества
18-метилейкозановая кислота (18-МЭА) и стеароксипропилдиметиламин (SPDA) были получены химическим синтезом [16,17]. В продаже имелись и другие химические вещества.
2.2. Методы
2.2.1. Количество 18-МЭА и сульфонатной группы на поверхности волос
Полуколичественный анализ 18-МЭА и сульфонатной группы на поверхности волосяного волокна проводили с помощью прибора для масс-спектрометрии вторичных ионов с временным интервалом пролета (TOF-SIMS) IV (ION-TOF GmbH, Мюнстер, Германия) с использованием первичных ионов Bi32 + с энергией 25 кэВ в сильноточном сгруппированном режиме. Область анализа размером 50 мкм × 50 мкм была случайным образом растрирована первичными ионами и компенсирована зарядом за счет заполнения электронами низкой энергии. Количество 18-МЭА и сульфонатной группы выражали как относительный выход ионов 18-МЭА по сравнению с выходом ионов CN, который был получен из белков волос [18]. В этом исследовании ион CN использовался для нормализации, поскольку матрицей поверхности волос является кератиновый белок, и ион CN был четко обнаружен при измерении образцов волос методом TOF-SIMS.
Атомную концентрацию S (IV), которая пропорциональна количеству сульфонатной группы [19], измеряли методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) с использованием прибора PHI Quantera SXM (Ulvac PHI, Канагава, Япония), оснащенного монохроматизированным и сфокусированным рентгеновским пучком Al Ka. Все измерения XPS проводились с использованием сфокусированного источника рентгеновского излучения (диаметр 100 мкм; мощность 25 Вт) с энергией прохождения фотоэлектронов 112 эВ. Компенсация заряда образцов осуществлялась с помощью двухлучевой системы компенсации заряда, которая использует как источник электронного потока, так и низкоэнергетическую аргоно-ионную распылительную пушку. Значения энергии связывания были скорректированы относительно пика C1s на уровне 284,8 эВ.
2.2.2. Измерение свойств поверхности волос.
Динамические контактные углы (опережающий контактный угол и отступающий контактный угол) измеряли методом Вильгельми [20,21] с использованием тензиометра K100MK2 (Krüss GmbH, Гамбург, Германия). Отдельные волокна волоса сканировали на расстоянии более 3 мм со скоростью 2 мм /мин в режиме продвижения. Динамические углы соприкосновения рассчитывали по формулеF = π d γ cosθгде F - сила смачивания, d - диаметр волоса, γ - поверхностное натяжение воды и θ - угол соприкосновения жидкости с поверхностью волокна. Диаметр волосяного волокна измеряли на поперечном сечении каждого волокна с помощью вращающейся системы измерения диаметра волокон, оснащенной лазером (Kato Tech Co., Киото, Япония) при температуре 20° C и относительной влажности (RH) 65%. Измерения силы смачивания также проводились при 20 ° C, относительной влажности 65%.
Модуль упругости поверхности волокон волос во влажной среде измеряли методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) наноиндентирования с использованием многомодового наноскопа V, оснащенного жидкостной ячейкой (Bruker, Санта-Барбра, Калифорния, США). Кривые силы−смещения были получены методом сила-объем (16 × 16 точек на площади 3 мкм × 3 мкм) с использованием силиконовых зондов (NCHV). Модуль Юнга во всех точках определялся путем подгонки кривой на основе модели Герца.
Фрикционные свойства поверхности волос во влажной среде измерялись с помощью наноскопа III Dimension 3000 (Veeco Instruments, Санта-Барбра, Калифорния, США). Данные микроскопии силы трения (FFM) были получены с использованием немодифицированных кантилеверов из нитрида кремния (Si-N) (коэффициент упругости 0,12 Нм-1). После соприкосновения кончика с поверхностью кутикулы кончик сканировали параллельно продольной оси волокна. Для характеристики фрикционных свойств были выполнены сканы поверхностей кутикулы размером 2 × 2 мкм (без краев).
Фрикционные свойства поверхности волос в сухой среде измеряли с помощью тестера трения KES-SE (Kato Tech Co., Киото, Япония). Пряди волос укладывались на стеклянную пластину таким образом, чтобы все пряди были разделены и параллельны друг другу с интервалом в 5 мм. Тест проводился при температуре 20 ° C и относительной влажности 65%.
Характеристику теплопередачи (max) волос измеряли с помощью пальцевого робота Thermo Labo KEF-F7 (Kato Tech Co., Киото, Япония) [22]. Датчик, покрытый силиконовой резиной, которая обладает свойствами, аналогичными свойствам кожи человека, нагревали до 36 ° C. При соприкосновении датчика с прядью волос тепло передавалось от датчика температуры к пряди волос. На основе изменений температуры измеряли скорость теплопередачи “q”, а затем вычисляли пиковое значение “qmax”.
2.2.3. Измерение поверхностных свойств адсорбированного слоя на слюде
АСМ-изображения адсорбированного слоя на поверхностях слюды были получены с помощью многорежимного АСМ Nanoscope IIIa (Veeco Instruments, Санта-Барбара, Калифорния, США) с электронным сканером. Для получения топографических изображений адсорбированных слоев мембраны использовалась визуализация в режиме постукивания. Чтобы гарантировать, что визуализация мембраны не повредит ее, усилие постукивания было установлено на минимально возможном уровне. Номинальные значения упругости кантилеверов, по сообщению производителя, составляют 20-100 Н / м. Все изображения, представленные в этой работе, были получены воспроизводимо по крайней мере в трех точках на поверхности образцов. Изображения были получены с частотой сканирования 0,5 или 1,0 Гц и были сглажены с помощью полинома первого порядка перед анализом.
Механические свойства адсорбированной мембраны анализировали методом АСМ-царапания [23,24,25,26] с использованием многорежимного АСМ Nanoscope IIIa. Расчесывание адсорбированной мембраны выполняли в контактном режиме с постоянным усилием и использовали микроизготовленный наконечник из нитрида кремния (Si-N) и кантилевер, имеющий постоянную упругость 0,38 Н/м. Сначала было получено изображение (обычно 5 мкм × 5 мкм) адсорбированной мембраны, затем была отсканирована меньшая область (обычно 1 мкм × 1 мкм) при сильном прижатии кончика к поверхности. После этого сканирование повторяли на большей площади. Далее этот метод называется “царапанием”. Таким образом, если адсорбированный слой был прочно прикреплен к поверхности, его было труднее удалить.
Измерения толщины адсорбированных слоев на поверхностях слюды были получены с помощью многорежимного АСМ NanoScope V (Veeco Instruments, Санта-Барбара, Калифорния, США), оснащенного датчиком контроля окружающей среды, а температуру подложки контролировали с помощью ступени нагрева, которая была модифицирована для программирования. Сначала измеряли толщину мембраны при комнатной температуре, затем температуру на стадии отбора образцов снижали со скоростью 1°C/мин до температуры (25°C, 15°C, 5°C, 0°C, -5°C и -10°C), при которой она поддерживалась не менее часа.
Молекулярную ориентацию слоя 18-MEA/SPDA определяли методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ARXPS) [15], который является неразрушающим методом для получения информации об элементном и химическом состоянии в зависимости от глубины. Данные ARXPS были получены с использованием спектрометра Quantera SXM (ULVAC PHI, Канагава, Япония) с монохроматизированным источником рентгеновского излучения Al Ka при напряжении 15 кВ и 25 Вт. Обзорные спектры регистрировались при угле взлета 45° и энергии прохождения 280 эВ с помощью анализатора с цилиндрическим зеркалом. Спектры с угловым разрешением были записаны при пяти углах взлета, 70, 45, 25, 15, 10 градусах в режиме высокого энергетического разрешения с энергией прохождения 112 эВ.
3. Результаты
3.1. Взаимосвязь между свойствами поверхности и количеством 18-МЭА
Была исследована взаимосвязь между динамическими углами контакта (опережающими и отступающими) и полуколичественным количеством 18-МЭА на поверхности волос, измеренным с помощью TOF-SIMS [18]. В дополнение к японским волосам, такие же измерения были проведены для китайских волос, светлых волос и волос брюнетки. Рисунок 1 иллюстрирует взаимосвязь между динамическими углами контакта (опережающими и отступающими) и полуколичественным количеством 18-МЭА на поверхности волос, измеренным с помощью TOF-SIMS. Синие квадраты указывают на увеличивающийся угол соприкосновения, а красные треугольники - на уменьшающийся угол соприкосновения.
Оба угла соприкосновения уменьшались по мере уменьшения количества 18-МЭА. Для волос китайцев, блондинов и брюнеток наблюдалась та же тенденция в зависимости между динамическим углом контакта и количеством 18-МЭА (рисунок 2).
Рисунок 2. Взаимосвязь между динамическими углами соприкосновения (выступающими и отступающими) и полуколичественным количеством 18-МЭА на внешней поверхности волос (а) китаянок, (б) блондинок и (с) брюнеток, измеренная с помощью TOF-SIMS. Для анализа этих волокон была адаптирована та же процедура, что и для японских волос.
3.2. Вклад эпикутикулы в свойства поверхности волоса
Динамические углы соприкосновения, количество 18-МЭА и сульфонатной группы (-SO3−) измеряли для необработанных волос, обесцвеченных волос (волосы B4) и обесцвеченных и обветренных волос (волосы B4W). Результаты приведены в таблице 3. Волосы B4 потеряли 18-МЭА, но сохранили гидрофобность. С другой стороны, волосы B4W потеряли как 18-МЭА, так и гидрофобность. В волосах группы В4 содержалось наибольшее количество сульфонатных групп. Удивительно, но, хотя образцы волос B4 содержат большее количество сульфонатных групп по сравнению с образцами волос B4W, они показали более сильную гидрофобность, чем образцы волос B4W.
Таблица 3. Сравнение необработанных волос, обесцвеченных волос (B4 hair) и обесцвеченных и обветренных волос (B4W hair).
Модуль упругости эпикутикулы во влажной среде был измерен методом АСМ. Результаты показаны на рисунке 3. Модуль упругости волос B4 почти такой же, как у необработанных волос. Объем волос B4W составляет около 80% от объема необработанных волос.
Рисунок 3. Модуль упругости, измеренный методом наноиндентирования методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) во влажной среде. Были измерены пять волосяных волокон для необработанных волос, волос B4 и волос B4W соответственно.
3.3. Восстановление гидрофобного слоя на поверхности волос с помощью 18-МЭА
Была изучена регенерация гидрофобного слоя на поверхности волос с использованием 18-МЭА [15]. Обесцвеченные и обветренные волосы обрабатывали 18-МЭА и длинноцепочечным третичным амином или четвертичными катионными солями поверхностно-активных веществ, содержащими кондиционеры, и промывали шампунем (рецептура кондиционеров и шампуня приведена в таблице 2 и таблице 4; в таблице 4 для нейтрализации диметиламинопропилстарамида (DAP) или SPDA использовалась молочная кислота, поскольку они являются третичными аминами). Результаты показаны на рисунке 4. Свойства поверхности, такие как угол соприкосновения и трение, были восстановлены до уровня здоровых волос с помощью кондиционера, содержащего 18-MEA / SPDA.
Изображения высоты адсорбционного слоя на слюде после обработки кондиционерами показаны на рисунке 5. На этом рисунке темные участки представляют собой слюду без сорбированных соединений, а светлые участки указывают на наличие сорбированного слоя кондиционера. Адсорбционный слой, изготовленный из соли 18-MEA и SPDA (18-MEA / SPDA), равномерно покрывал слюду. Что касается толщины слоя 18-MEA / SPDA, то, по оценкам, она составляет около 1 нм.
Адсорбционный слой из 18-MEA/SPDA показал износостойкость. На рисунке 6 показано изображение высоты АСМ после теста на царапание с использованием растрового наконечника a с постоянным усилием. Белые квадраты указывают, где были проведены тесты на царапание размером 1000 нм × 1000 нм. На изображении адсорбированной пленки, обработанной (b) 18-MEA/DAPS или (c) 18-MEA/стеарилтриметиламмонийхлоридом (STAC), наблюдалась квадратная канавка. С другой стороны, обработка (a) 18-MEA / SPDA не показала такой бороздки. Эти результаты указывают на то, что кондиционер 18-MEA /SPDA однородно адсорбировался на поверхности слюды и обладал высокой износостойкостью.
На рисунке 7 показана температурная зависимость толщины адсорбционного слоя, состоящего из 18-МЭА /SPDA и n-хенейкозановой кислоты (n-HEA)/SPDA. Толщина слоя 18-MEA / SPDA резко увеличилась при температуре около 0 ~ 10 ° C. С другой стороны, толщина слоя n-HEA / SPDA более стабильна в диапазоне температур от 25 ° C до -10 ° C.
Молекулярная ориентация слоя 18-MEA / SPDA была определена методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ARXPS) [15]. Результаты показаны на рисунке 8. Соотношение площади пика N (азот) / C (углерод) из SPDA и COO (карбокс) / C (углерод) из 18-МЭА увеличивалось с глубиной измерения.
3.4. Влияние 18-МЭА на внешний вид волос и сенсорное восприятие
Было изучено влияние удаления 18-МЭА, особенно во влажном состоянии [18]. Общие структурные и физические свойства волос приведены в таблице 5 и таблице 6. Наблюдалось удаление 18-МЭА и уменьшение угла соприкосновения. Силы трения, измеренные с использованием методики FFM [11], показаны на рисунке 9. Поверхностное трение увеличилось после удаления 18-МЭА во влажном состоянии. Напротив, почти не произошло изменений в характеристиках поверхности и физических свойствах внутри волокон волоса.
Было изучено влияние удаления 18-МЭА, особенно во влажном состоянии [18]. Общие структурные и физические свойства волос приведены в таблице 5 и таблице 6. Наблюдалось удаление 18-МЭА и уменьшение угла соприкосновения. Силы трения, измеренные с использованием методики FFM [11], показаны на рисунке 9. Поверхностное трение увеличилось после удаления 18-МЭА во влажном состоянии. Напротив, почти не произошло изменений в характеристиках поверхности и физических свойствах внутри волокон волоса.
Сравнение волосяных локонов до и после удаления 18-МЭА показано на рисунке 10. Наблюдается сильная разница в форме пучков волос после сушки полотенцем. Волокна волос с 18-MEA образуют тонкие пучки с параллельным расположением волокон волос. С другой стороны, волокна волос без 18-MEA образуют толстые пучки, которые были беспорядочными. Форма пучков волос во влажном состоянии влияла на внешний вид прядей волос после высыхания.
На рисунке 12 показана взаимосвязь междуmax q и соотношением вьющихся волос к прямым. Также показан внешний вид локонов, полученных путем добавления вьющихся волосяных волокон к прямым локонам. Этот результат указывает на сильную взаимосвязь между qmax и степенью упорядоченности выравнивания волос.
4. Обсуждение
4.1. Взаимосвязь между свойствами поверхности и количеством 18-МЭА
Было измерено полуколичественное количество 18-МЭА на самой внешней поверхности волос и динамические углы соприкосновения. Увеличивающийся угол соприкосновения - это угол соприкосновения, который образуется в процессе увлажнения. Что касается увеличения угла соприкосновения, то снижение происходило в две отдельные стадии, которые показаны на рисунке 13: во-первых, когда полуколичественное количество 18-МЭА снизилось до нуля, угол соприкосновения постепенно уменьшался со 120 ° примерно до 100 °. Коэффициент корреляции (R) составил 0,76, а p-значение (p) составило 4,0 × 10-29 (n = 149) для наклона линии. Наблюдалась значительная корреляция между увеличением угла контакта и полуколичественным количеством 18-МЭА. Во-вторых, после того, как полуколичественное количество 18-МЭА достигло нуля, угол дальнейшего контакта все еще уменьшался примерно со 100 ° до 70 °. Удивительно, но некоторые поверхности волос не стали гидрофильными даже после потери 18-МЭА.
4.1. Взаимосвязь между свойствами поверхности и количеством 18-МЭА
Было измерено полуколичественное количество 18-МЭА на самой внешней поверхности волос и динамические углы соприкосновения. Увеличивающийся угол соприкосновения - это угол соприкосновения, который образуется в процессе увлажнения. Что касается увеличения угла соприкосновения, то снижение происходило в две отдельные стадии, которые показаны на рисунке 13: во-первых, когда полуколичественное количество 18-МЭА снизилось до нуля, угол соприкосновения постепенно уменьшался со 120 ° примерно до 100 °. Коэффициент корреляции (R) составил 0,76, а p-значение (p) составило 4,0 × 10-29 (n = 149) для наклона линии. Наблюдалась значительная корреляция между увеличением угла контакта и полуколичественным количеством 18-МЭА. Во-вторых, после того, как полуколичественное количество 18-МЭА достигло нуля, угол дальнейшего контакта все еще уменьшался примерно со 100 ° до 70 °. Удивительно, но некоторые поверхности волос не стали гидрофильными даже после потери 18-МЭА.
Отступающий угол соприкосновения - это угол соприкосновения, который образуется в процессе сушки. Угол контакта с отступом линейно уменьшился с 80 ° до 0 °, поскольку полуколичественное количество 18-МЭА снизилось до нуля. Коэффициент корреляции (R) составил 0,92, а p-значение (p) составило 4,0 × 10-99 (n = 237) для наклона регрессии. Наблюдалась значительная корреляция между уменьшением угла соприкосновения и полуколичественным количеством 18-МЭА. Две стадии изменения угла соприкосновения наблюдались во всех этнических группах. Взаимосвязь между свойствами поверхности и количеством 18-МЭА указывает на то, что уменьшение 18-МЭА на поверхности кутикулы оказывает более сильное воздействие на волокна при переходе из влажной среды в сухую по сравнению с переходом из сухой среды во влажную. Этот результат соответствует статье, в которой указывается, что отступающий угол контакта более чувствителен к покрытию гидрофобной областью, если ее покрытие высокое [27].
4.2. Вклад эпикутикулы в свойства поверхности волос
Результаты (рисунок 1 и рисунок 2) также указывают на то, что некоторые из отобранных волосяных волокон сохраняют свою гидрофобность даже в отсутствие 18-МЭА. Эпикутикула, внешний слой которой покрыт слоем жирных кислот, в основном состоит из 18-МЭА, была сфокусирована. Впервые сообщалось, что эпикутикула представляет собой тонкую мембрану, называемую Allwörden sac [28]. Для выявления ее структуры было проведено несколько исследований, таких как компонентный анализ [29], микроскопические наблюдения [30], АСМ-анализ [31] и TOF-SIMS [32]; однако до сих пор нет литературы, указывающей на вклад эпикутикулы в гидрофобную природу волосяного волокна.
Поскольку 18-МЭА ковалентно связывается с эпикутикулой посредством тиоэфирных или сложноэфирных связей, при расщеплении этих связей щелочью образуется цистеиновая кислота [33]. Полуколичественный анализ сульфонатной группы был проведен с помощью измерений TOF-SIMS и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS). В случае XPS измеряли атомную концентрацию S(IV), которая пропорциональна количеству сульфонатной группы [33].
В результате образцы волос B4 содержали большее количество сульфонатных групп по сравнению с образцами волос B4W. Он продемонстрировал более сильную гидрофобность, чем образцы волос B4W. Одна из возможных интерпретаций этого явления была получена на основе данных гистерезиса контактного угла. Гистерезис необработанных волос и волос B4 почти одинаков при температуре около 52 °, в то время как у волос B4W он составляет около 70 °. Разница в гистерезисе угла соприкосновения объясняется подвижностью гидрофильных групп [34]. Считается, что гидрофильные группы на волосах B4W более эластичны, чем на необработанных волосах и волосах B4.
Как было описано ранее, поверхность волос сохраняет свою гидрофобность только после многократного обесцвечивания. Ранее было описано уменьшение угла соприкосновения, вызванное химической обработкой и механическими повреждениями [35]. Наши результаты отличаются от предыдущих публикаций, поскольку различаются как виды химической обработки, так и область отбора проб волос. В нашем исследовании образец волос срезали у корня, ожидая, что структура поверхности останется неповрежденной.
Для получения дополнительной информации, указывающей на гибкость гидрофильных групп волос B4W, был измерен модуль упругости эпикутикулы во влажной среде. Эпикутикула представляет собой слой белка с высокой степенью поперечных связей [31]. Ожидается, что плотность сшивки будет снижаться при ее разрушении из-за механического разрушения белковой цепи [36]. Более низкая плотность сшивки вызывает более легкое набухание при увлажнении. Результаты показывают, что только химическая обработка, то есть обесцвечивающий лосьон, не оказывает влияния на модуль упругости эпикутикулы, но сочетание химической обработки и атмосферных воздействий, таких как многократное мытье головы шампунем, приводит к ухудшению состояния эпикутикулы. Механическое разрушение белковой цепи снижает плотность сшивания и вызывает выпадение фрагментов белка, что, как полагают, является причиной уменьшения количества сульфонатных групп в волосах B4W. Чтобы проиллюстрировать эти выводы, схематическая иллюстрация процесса разрушения эпикутикулы показана на рисунке 14. После обесцвечивания большая часть 18-МЭА была удалена, в результате чего образовались сульфонатные группы. Сульфонатные группы были плотно закреплены внутри сильно сшитого белкового слоя, уменьшая их вклад в гидрофобность из-за их низкой подвижности. Обработка как отбеливающим лосьоном, так и атмосферными воздействиями, такими как многократное мытье головы шампунем, снижает плотность сшивания эпикутикулы из-за механического разрушения [36]. Это делает гидрофильные функциональные группы гибкими, что в значительной степени способствует гидрофобности поверхности волос, несмотря на общее снижение содержания сульфонатных групп. [37].
4.2. Вклад эпикутикулы в свойства поверхности волос
Результаты (рисунок 1 и рисунок 2) также указывают на то, что некоторые из отобранных волосяных волокон сохраняют свою гидрофобность даже в отсутствие 18-МЭА. Эпикутикула, внешний слой которой покрыт слоем жирных кислот, в основном состоит из 18-МЭА, была сфокусирована. Впервые сообщалось, что эпикутикула представляет собой тонкую мембрану, называемую Allwörden sac [28]. Для выявления ее структуры было проведено несколько исследований, таких как компонентный анализ [29], микроскопические наблюдения [30], АСМ-анализ [31] и TOF-SIMS [32]; однако до сих пор нет литературы, указывающей на вклад эпикутикулы в гидрофобную природу волосяного волокна.
Поскольку 18-МЭА ковалентно связывается с эпикутикулой посредством тиоэфирных или сложноэфирных связей, при расщеплении этих связей щелочью образуется цистеиновая кислота [33]. Полуколичественный анализ сульфонатной группы был проведен с помощью измерений TOF-SIMS и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS). В случае XPS измеряли атомную концентрацию S(IV), которая пропорциональна количеству сульфонатной группы [33].
В результате образцы волос B4 содержали большее количество сульфонатных групп по сравнению с образцами волос B4W. Он продемонстрировал более сильную гидрофобность, чем образцы волос B4W. Одна из возможных интерпретаций этого явления была получена на основе данных гистерезиса контактного угла. Гистерезис необработанных волос и волос B4 почти одинаков при температуре около 52 °, в то время как у волос B4W он составляет около 70 °. Разница в гистерезисе угла соприкосновения объясняется подвижностью гидрофильных групп [34]. Считается, что гидрофильные группы на волосах B4W более эластичны, чем на необработанных волосах и волосах B4.
Как было описано ранее, поверхность волос сохраняет свою гидрофобность только после многократного обесцвечивания. Ранее было описано уменьшение угла соприкосновения, вызванное химической обработкой и механическими повреждениями [35]. Наши результаты отличаются от предыдущих публикаций, поскольку различаются как виды химической обработки, так и область отбора проб волос. В нашем исследовании образец волос срезали у корня, ожидая, что структура поверхности останется неповрежденной.
Для получения дополнительной информации, указывающей на гибкость гидрофильных групп волос B4W, был измерен модуль упругости эпикутикулы во влажной среде. Эпикутикула представляет собой слой белка с высокой степенью поперечных связей [31]. Ожидается, что плотность сшивки будет снижаться при ее разрушении из-за механического разрушения белковой цепи [36]. Более низкая плотность сшивки вызывает более легкое набухание при увлажнении. Результаты показывают, что только химическая обработка, то есть обесцвечивающий лосьон, не оказывает влияния на модуль упругости эпикутикулы, но сочетание химической обработки и атмосферных воздействий, таких как многократное мытье головы шампунем, приводит к ухудшению состояния эпикутикулы. Механическое разрушение белковой цепи снижает плотность сшивания и вызывает выпадение фрагментов белка, что, как полагают, является причиной уменьшения количества сульфонатных групп в волосах B4W. Чтобы проиллюстрировать эти выводы, схематическая иллюстрация процесса разрушения эпикутикулы показана на рисунке 14. После обесцвечивания большая часть 18-МЭА была удалена, в результате чего образовались сульфонатные группы. Сульфонатные группы были плотно закреплены внутри сильно сшитого белкового слоя, уменьшая их вклад в гидрофобность из-за их низкой подвижности. Обработка как отбеливающим лосьоном, так и атмосферными воздействиями, такими как многократное мытье головы шампунем, снижает плотность сшивания эпикутикулы из-за механического разрушения [36]. Это делает гидрофильные функциональные группы гибкими, что в значительной степени способствует гидрофобности поверхности волос, несмотря на общее снижение содержания сульфонатных групп. [37].
4.3. Восстановление гидрофобного слоя на поверхности волос с помощью 18-МЭА
Свойства поверхности, такие как угол соприкосновения и трение, были восстановлены до уровня здоровых волос путем применения кондиционера, содержащего 18-MEA / SPDA, и мытья шампунем. Одна из причин, по которой 18-MEA / SPDA проявляет стойкую гидрофобность, была продемонстрирована АСМ-измерением адсорбционного слоя на слюде, которая является моделью поврежденной поверхности волос. Для получения изображения высоты адсорбционного слоя использовалась слюда, поверхность которой атомарно плоская. Адсорбционный слой 18-MEA / SPDA не только равномерно покрывал слюду, но и проявлял износостойкость, что, как полагают, способствует стойкой гидрофобности.
Была изучена роль антей-ответвления 18-MEA [38], чтобы прояснить, почему адсорбционный слой 18-MEA / SPDA обладает износостойкостью. Хорошо известно, что температура плавления 18-МЭА примерно на 20 ° C ниже, чем у других изомеров [39]. Кроме того, из-за большого сегментарного объема структуры переднего ответвления ожидалось, что поглощающий слой, состоящий из 18-МЭА, будет проявлять жидкоподобное поведение на конечном конце алкильной цепи по сравнению с твердоподобным поведением жирных кислот с прямой цепью [4,40]. Наличие жидкообразной фазы на верхней стороне адсорбционного слоя 18-MEA / SPDA было продемонстрировано с помощью АСМ, оснащенного терморегулятором.
Толщина слоя 18-MEA / SPDA резко увеличивалась при температуре около 0 ~ 10 ° C, что, как считалось, было вызвано главным образом коагуляцией антей-зо-разветвленной цепи. Толщина слоя 18-MEA / SPDA была ниже, чем у n-HEA / SPDA, из-за вращения цепи переднего разветвления выше 5 ° C.
Чтобы проиллюстрировать слой 18-MEA / SPDA, важно определить молекулярную ориентацию 18-MEA и SPDA. Результаты, представленные ARXPS, предполагают, что гидрофобные функциональные группы прикрепляются к твердой поверхности. Чтобы лучше понять детальную структуру более сильного адсорбционного слоя, на рисунке 15 показана принципиальная схема адсорбционного слоя, изготовленного из 18-MEA /SPDA. На этой диаграмме на верхней стороне присутствует жидкая фаза, которая, как считается, способствует износостойкости [38].
Свойства поверхности, такие как угол соприкосновения и трение, были восстановлены до уровня здоровых волос путем применения кондиционера, содержащего 18-MEA / SPDA, и мытья шампунем. Одна из причин, по которой 18-MEA / SPDA проявляет стойкую гидрофобность, была продемонстрирована АСМ-измерением адсорбционного слоя на слюде, которая является моделью поврежденной поверхности волос. Для получения изображения высоты адсорбционного слоя использовалась слюда, поверхность которой атомарно плоская. Адсорбционный слой 18-MEA / SPDA не только равномерно покрывал слюду, но и проявлял износостойкость, что, как полагают, способствует стойкой гидрофобности.
Была изучена роль антей-ответвления 18-MEA [38], чтобы прояснить, почему адсорбционный слой 18-MEA / SPDA обладает износостойкостью. Хорошо известно, что температура плавления 18-МЭА примерно на 20 ° C ниже, чем у других изомеров [39]. Кроме того, из-за большого сегментарного объема структуры переднего ответвления ожидалось, что поглощающий слой, состоящий из 18-МЭА, будет проявлять жидкоподобное поведение на конечном конце алкильной цепи по сравнению с твердоподобным поведением жирных кислот с прямой цепью [4,40]. Наличие жидкообразной фазы на верхней стороне адсорбционного слоя 18-MEA / SPDA было продемонстрировано с помощью АСМ, оснащенного терморегулятором.
Толщина слоя 18-MEA / SPDA резко увеличивалась при температуре около 0 ~ 10 ° C, что, как считалось, было вызвано главным образом коагуляцией антей-зо-разветвленной цепи. Толщина слоя 18-MEA / SPDA была ниже, чем у n-HEA / SPDA, из-за вращения цепи переднего разветвления выше 5 ° C.
Чтобы проиллюстрировать слой 18-MEA / SPDA, важно определить молекулярную ориентацию 18-MEA и SPDA. Результаты, представленные ARXPS, предполагают, что гидрофобные функциональные группы прикрепляются к твердой поверхности. Чтобы лучше понять детальную структуру более сильного адсорбционного слоя, на рисунке 15 показана принципиальная схема адсорбционного слоя, изготовленного из 18-MEA /SPDA. На этой диаграмме на верхней стороне присутствует жидкая фаза, которая, как считается, способствует износостойкости [38].
4.4. Влияние 18-МЭА на внешний вид волос и сенсорное восприятие
Одной из функций 18-МЭА на поверхности волос млекопитающих является создание водоотталкивающих свойств для поддержания температуры тела. Кроме того, было изучено влияние на внешний вид волос [18] и сенсорное восприятие [22] через выравнивание волос.
Структурные и физические свойства волос до и после удаления 18-МЭА показали увеличение поверхностного трения и снижение гидрофобности. До и после удаления 18-МЭА наблюдалась сильная разница в форме пучков волос во влажном состоянии. Чтобы избежать повреждения внутренней структуры волос, такой как кортекс, для удаления 18-МЭА с поверхности волокон волос использовалась безводная щелочная обработка [41].
На рисунке 16 показана принципиальная схема взаимодействия волос во влажном состоянии. В случае волосяных волокон без 18-MEA вода между волокнами волос легко распространяется и заставляет волокна волос плотно связываться друг с другом, в результате чего в пучках волос образуется множество спутываний. С другой стороны, в волосяных волокнах с 18-МЕ вода между волокнами волос не распространяется. Следовательно, волокна волос связываются друг с другом менее плотно. Благодаря низкому трению волокна волоса могут легко перемещаться, перестраиваться и, наконец, выстраиваться в упорядоченные параллельные линии.
Одной из функций 18-МЭА на поверхности волос млекопитающих является создание водоотталкивающих свойств для поддержания температуры тела. Кроме того, было изучено влияние на внешний вид волос [18] и сенсорное восприятие [22] через выравнивание волос.
Структурные и физические свойства волос до и после удаления 18-МЭА показали увеличение поверхностного трения и снижение гидрофобности. До и после удаления 18-МЭА наблюдалась сильная разница в форме пучков волос во влажном состоянии. Чтобы избежать повреждения внутренней структуры волос, такой как кортекс, для удаления 18-МЭА с поверхности волокон волос использовалась безводная щелочная обработка [41].
На рисунке 16 показана принципиальная схема взаимодействия волос во влажном состоянии. В случае волосяных волокон без 18-MEA вода между волокнами волос легко распространяется и заставляет волокна волос плотно связываться друг с другом, в результате чего в пучках волос образуется множество спутываний. С другой стороны, в волосяных волокнах с 18-МЕ вода между волокнами волос не распространяется. Следовательно, волокна волос связываются друг с другом менее плотно. Благодаря низкому трению волокна волоса могут легко перемещаться, перестраиваться и, наконец, выстраиваться в упорядоченные параллельные линии.
Была изучена взаимосвязь между выравниванием волос и сенсорным восприятием, таким как ощущение увлажненности или сухости [22]. Как было описано ранее, наличие 18-МЭА влияло на внешний вид волос через формирование их выравнивания. Ощущение увлажненности или сухости объяснялось характеристикой теплопередачи, которая была тесно связана со степенью упорядоченности волос.
Принципиальная схема того, как 18-МЭА влияет на внешний вид волос, показана на рисунке 17. Наличие 18-МЭА влияет на свойства поверхности, такие как угол контакта. Свойства поверхности влияют на форму пучков волос во влажных условиях через взаимодействие между волокнами волос. Форма пучков волос влияет на внешний вид волос и их сенсорное восприятие.
Принципиальная схема того, как 18-МЭА влияет на внешний вид волос, показана на рисунке 17. Наличие 18-МЭА влияет на свойства поверхности, такие как угол контакта. Свойства поверхности влияют на форму пучков волос во влажных условиях через взаимодействие между волокнами волос. Форма пучков волос влияет на внешний вид волос и их сенсорное восприятие.
5. Выводы
Был проведен обзор деградации поверхности волос. Свойства поверхности, такие как гидрофобность и поверхностное трение, изменялись по мере деградации поверхностных структур волосяного волокна, то есть 18-МЭА и эпикутикулы. Сравнение угла контакта и количества 18-МЭА от корней до кончиков отобранных волокон волоса выявило вклад не только 18-МЭА, но и эпикутикулы в свойства поверхности. Эта тенденция была обнаружена у всех изученных этнических групп. Было обнаружено, что химической обработки самой по себе, такой как обесцвечивание, было недостаточно, чтобы вызвать полную потерю гидрофобности даже после удаления 18-МЭА. Для полной потери гидрофобности потребовался дополнительный процесс воздействия атмосферных воздействий, такой как многократное мытье головы шампунем. После разрушения эпикутикулы поверхность волос стала гидрофильной. Разрушение эпикутикулы сопровождалось повышенным гистерезисом динамического угла соприкосновения и снижением эластичности во влажном состоянии, что подразумевало расщепление сшивающих структур.
Также было представлено восстановление свойств поверхности с помощью 18-MEA. Соль 18-MEA с SPDA оказалась эффективной для формирования стойкого адсорбционного слоя. Одна из причин стойкости была основана на поведении, подобном жидкости, вокруг конца алкильной цепи из-за вращательного движения передней ветви.
Был изучен вклад в красоту волос и сенсорное восприятие как одной из практических функций поверхности волос. Гидрофобная природа поверхности волос снижает поверхностное трение во влажном состоянии, что уменьшает беспорядочное выравнивание волос. Уменьшение беспорядочного выравнивания волос способствовало ощущению влажности волос.
6. Патенты
Вклад автора
Концептуализация, H.T. и S.T.; исследование, S.T., H.T. и K.I.; написание рецензий и редактирование, S.T. и K.I.
Финансирование
Это исследование не получало внешнего финансирования.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Сокращения
18-МЭА
18-метилэйкозановая кислота
XPS
Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия
SPDA
Стеароксипропилдиметиламин
DAPS
Диметиламинопропилстеарамид
STAC
Хролид стеарилтриметиламмония
n-HEA
n-Хенейкозановая кислота
Ссылки
© 2019 от авторов. Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья находится в открытом доступе и распространяется на условиях лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
Был проведен обзор деградации поверхности волос. Свойства поверхности, такие как гидрофобность и поверхностное трение, изменялись по мере деградации поверхностных структур волосяного волокна, то есть 18-МЭА и эпикутикулы. Сравнение угла контакта и количества 18-МЭА от корней до кончиков отобранных волокон волоса выявило вклад не только 18-МЭА, но и эпикутикулы в свойства поверхности. Эта тенденция была обнаружена у всех изученных этнических групп. Было обнаружено, что химической обработки самой по себе, такой как обесцвечивание, было недостаточно, чтобы вызвать полную потерю гидрофобности даже после удаления 18-МЭА. Для полной потери гидрофобности потребовался дополнительный процесс воздействия атмосферных воздействий, такой как многократное мытье головы шампунем. После разрушения эпикутикулы поверхность волос стала гидрофильной. Разрушение эпикутикулы сопровождалось повышенным гистерезисом динамического угла соприкосновения и снижением эластичности во влажном состоянии, что подразумевало расщепление сшивающих структур.
Также было представлено восстановление свойств поверхности с помощью 18-MEA. Соль 18-MEA с SPDA оказалась эффективной для формирования стойкого адсорбционного слоя. Одна из причин стойкости была основана на поведении, подобном жидкости, вокруг конца алкильной цепи из-за вращательного движения передней ветви.
Был изучен вклад в красоту волос и сенсорное восприятие как одной из практических функций поверхности волос. Гидрофобная природа поверхности волос снижает поверхностное трение во влажном состоянии, что уменьшает беспорядочное выравнивание волос. Уменьшение беспорядочного выравнивания волос способствовало ощущению влажности волос.
6. Патенты
- Корпорация Kao. Композиция для очищения волос. JP-патент 4745914, 9 августа 2006 года.
- Корпорация Kao. Водная косметическая композиция для волос. JP-патент 4559392, CN-патент 101321512, 9 августа 2006.
- Корпорация Kao. Косметическая композиция для волос. JP-патенты 4469874, 4469875, CN-патент 101313884, US-патент 8252272, 31 мая 2007.
- Корпорация Kao. Косметическая композиция для волос. JP-патент 5094216, 11 декабря 2008 года.
Вклад автора
Концептуализация, H.T. и S.T.; исследование, S.T., H.T. и K.I.; написание рецензий и редактирование, S.T. и K.I.
Финансирование
Это исследование не получало внешнего финансирования.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Сокращения
18-МЭА
18-метилэйкозановая кислота
XPS
Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия
SPDA
Стеароксипропилдиметиламин
DAPS
Диметиламинопропилстеарамид
STAC
Хролид стеарилтриметиламмония
n-HEA
n-Хенейкозановая кислота
Ссылки
- Эванс Д.Дж.; Лидер Дж.Д.; Риппон Дж.А.; Риветт Д.Э. Разделение и анализ поверхностных липидов шерстяного волокна. Материалы 7-й Международной конференции по исследованию текстиля из шерсти, Токио, Япония, 28 августа–3 сентября 1985 г.; стр. 135-142. [Google Scholar]
- Верц П.В.; Дауинг Д.Т. Интегральные липиды человеческих волос. Липиды 1988, 23, 878-881. [Google Scholar] [Перекрестная ссылка]
- Верц П.В.; Дауинг Д.Т. Интегральные липиды волос млекопитающих. Сост. Биохимия. Физиология. 1989, 92B, 759-761. [Google Scholar] [Перекрестная ссылка]
- Джонс, Л.Н.; Риветт, Д.Э. Роль 18-метилейкозановой кислоты в структуре и формировании волосяных волокон млекопитающих. Микрон 1997, 28, 469-485. [Google Scholar] [Перекрестная ссылка]
- Негри А.П.; Корнелл Х.Дж.; Риветт Д.Э. Природа ковалентно связанных жирных кислот в шерстяных волокнах. Aust. J. Agric. Res. 1991, 42, 1285-1292. [Google Scholar] [Перекрестная ссылка]
- Негри, А.П.; Корнелл, Х.Дж.; Риветт, Д.Э. Влияние процедуры на уровни связанных и свободных жирных кислот в шерсти. Текст. Res. J. 1992, 62, 381-387. [Google Scholar] [Перекрестная ссылка]
- Эванс Д.Дж.; Ланцки М. Расщепление интегральных поверхностных липидов шерсти путем аминолиза. Текст. Res. J. 1997, 67, 435-444. [Google Scholar] [Перекрестная ссылка]
- Найто С.; Оошика М.; Йоримото Н.; Курода Ю. Структура связанных липидов волокон человеческих волос и их физические свойства. В материалах 9-й Международной конференции по исследованию текстиля из шерсти II, Бьелла, Италия, 28 июня–5 июля 1996 г.; стр. 367-374. [Google Scholar]
- Калькбреннер У.; Кунер Х.; Хокер Х.; Риветт Д.Э. Исследования состава кутикулы шерсти. Материалы 8-й Международной конференции по исследованию текстиля из шерсти, Крайстчерч, Новая Зеландия, 7-14 февраля 1990 г.; стр. 398-407. [Google Scholar]
- Карр, К.М.; Ливер, И.Х.; Хьюз, А.Э. Рентгенофотоэлектронно-спектроскопическое исследование поверхности шерстяных волокон. Текст. Res. J., 1986, 56, 457-461. [Google Scholar] [Перекрестная ссылка]
- Брейкспир, С.; Смит, Дж.Р.; Луэнго, Г. Влияние ковалентно связанной жирной кислоты 18-МЭА на нанотрибологию самой внешней поверхности волос. J. Структура. Биол. 2005, 149, 235-242. [Google Scholar] [Перекрестная ссылка] [PubMed]
- Торре, К.А.; Бхушам, Б.; Янг, Дж.-З.; Торгерсон, П.М. Нанотрибологические эффекты типа силикона, уровня осаждения силикона и типа поверхностно-активных веществ на волосах человека с использованием атомно-силовой микроскопии. J. Cosmetic. Sci. 2006, 57, 37-56. [Google Scholar] [PubMed]
- Ясуда, М. Ощущение расчесывания волос руками и жесткость волос и наука о поверхности волос. J. Наука о волосах. 2004, 95, 7-12. [Google Scholar]
- Тейт, М.Л.; Камат, Ю.К.; Рюч, С.Б.; Вейгман, Х.-Д. Количественная оценка и предотвращение повреждения волос. J. Sci. Cosmetic. Chem. 1993, 44, 347-371. [Google Scholar]
- Танамати, Х.; Иноуэ, С.; Тандзи, Н.; Цудзимура, Х.; Огури, М.; Ишита, М.; Токунага, С.; Сазанами, Ф. Нанесение 18-МЭА на обработанные щелочной краской обветренные волосы для формирования стойкой гидрофобности. 2009, 60, 31-44. [Google Scholar] [Перекрестная ссылка]
- Корпорация Kao. Косметическая композиция для волос. JP-патент 6053650, EP-патент 0483689, 2 ноября 1990. [Google Scholar]
- Корпорация Kao. Способ получения эфирного амина. JP-патент 4676666, EP-патент 1219597, US-патент 6576794, 17 декабря 2001. [Google Scholar]
- Танамати, Х.; Токунага, С.; Тандзи, Н.; Огури, М.; Иноуэ, С. 18-МПА и внешний вид волос. J. Cosmetic. Sci. 2010, 61, 147-160. [Google Scholar] [PubMed]
- Уорд Р.Дж.; Уиллис Х.А.; Джордж Г.А.; Гиз Г.Б.; Деннинг Р.Дж.; Эванс Д.Дж.; Шорт Р.Д. Анализ поверхности шерсти методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и статической масс-спектрометрии вторичных ионов. Текст. Res. J. 1993, 63, 362-368. [Google Scholar] [Перекрестная ссылка]
- Вортманн Ф.Дж.; Вортманн Г.; Веше С. Э. Пространственное исследование свойств поверхности человеческих волос с использованием профилей силы Вильгельми. Ленгмюр 2010, 26, 7365-7369. [Google Scholar] [Перекрестная ссылка] [PubMed]
- Веше Э.С.; Кернер А.; Шефер К.; Вортман Ф.Дж. Предотвращение старения поверхности волос. J. Cosmetic. Sci. 2011, 62, 237-249. [Google Scholar]
- Танамати, Х. Температура как показатель влажности при тактильном воздействии на волосы. Int. J. Cosmetic. Sci. 2011, 33, 25-36. [Google Scholar] [Перекрестная ссылка] [PubMed]
- Тон-Та, С.; Шард, А.Г.; Брэдли, Р.Х. Толщина тонких пленок полимера, отлитых методом литья под давлением, определяемая методами XPS с угловым разрешением и AFM tip-scratch. Ленгмюр 2000, 16, 2281-2284. [Google Scholar] [Перекрестная ссылка]
- Девеккио Д.; Шмутц П.; Френкель Г. Новый подход к изучению химико-механической полировки. Электрохимия. Письмо в твердом виде. 2000, 3, 90-92. [Google Scholar] [Перекрестная ссылка]
- Шмуц П.; Френкель Г.С. Влияние дихроматных ионов на коррозию чистого алюминия и AA2024-T3 в растворе NaCl, изученное методом АСМ-царапания. J. Электронная химия. Soc. 1999, 146, 4461-4472. [Google Scholar] [Перекрестная ссылка]
- Леблан П.; Френкель Г.С. Исследование коррозии и образования питтинга AA2024-T3 с использованием атомно-силовой микроскопии. J. Electronchem. Soc. 2002, 149, B239–B247. [Google Scholar] [Перекрестная ссылка]
- Роберт Х.Д.; Джонсон Р.Э.-младший. Гистерезис угла соприкосновения. IV. Измерения угла соприкосновения на неоднородных поверхностях. J. Phys. Хим. 1965, 69, 1507-1515. [Google Scholar]
- Оллверден И.К. Природа овечьей шерсти и новый метод исследования для химической идентификации поврежденной шерсти. З. Ангью. Хим. 1916, 29, 77-78. [Google Scholar]
- Холмс, А.У. Комплекс жирных кислот и белков в человеческих волосах. Nature 1961, 189, 923. [Google Scholar] [Перекрестная ссылка] [PubMed]
- Свифт Дж.А.; Холмс А.У. Разрушение человеческих волос папаином: Часть III: некоторые наблюдения под электронным микроскопом. Текст. Отв. J. 1965, 35, 1014-1019. [Google Scholar] [Перекрестная ссылка]
- Свифт Дж.А.; Смит Дж.Р. Микроскопические исследования эпикутикулы кератиновых волокон млекопитающих. J. Microsc. 2001, 204, 203-211. [Google Scholar] [Перекрестная ссылка] [PubMed][Зеленая версия]
- Окамото М.; Исикава К.; Тандзи Н.; Аояги С.; Кита И.; Мигита К.Т. Структурный анализ самой внешней поверхности волос с использованием TOF-SIMS с технологией глубинного профилирования C60. e-J. Приборнаучные нанотехнологии. 2012, 10, 234-238. [Google Scholar] [Перекрестная ссылка]
- Окамото М.; Исикава К.; Танджи Н.; Аояги С. Исследование повреждений на самой внешней поверхности волос с использованием ToF-SIMS и XPS. Surf. Анальный интерфейс. 2012, 44, 736-739. [Google Scholar] [Перекрестная ссылка]
- Карлссон Дж.О.; Гатенхольм П. Поверхностная подвижность привитых гидрогелей. Макромолекулы 1999, 32, 7594-7598. [Google Scholar] [Перекрестная ссылка]
- Лодж Р.А.; Бхушан Б. Увлажняющие свойства человеческих волос с помощью динамического измерения угла соприкосновения. J. Appl. Полим. Наука. 2006, 102, 5255-5265. [Google Scholar] [Перекрестная ссылка]
- Бут, С. Механическое разрушение полимеров. Polymer 1963, 4, 471-478. [Google Scholar] [Перекрестная ссылка]
- Токунага, С.; Танамати, Х.; Танджи, Н.; Иноуэ, С.; Огури, М. 18-МЭА - не единственный фактор, влияющий на гидрофобность поверхности волос. В материалах 3-й Международной конференции по прикладной науке о волосах, Принстон, Нью-Джерси, США, 15-16 сентября 2008 года. [Google Scholar]
- Танамати, Х.; Иноуэ, С.; Токунага, С.; Цудзимура, Х.; Тандзи, Н.; Огури, М.; Хабе, Т. Роль антей-сойской ветви 18-MEA в 18-MEA / SPDA в формировании стойкой гидрофобности к обработанным щелочным красителем обветренным волосам. J. Cosmetic. Sci. 2009, 60, 509-518. [Google Scholar] [Перекрестная ссылка] [PubMed]
- Вейкамп, А.В. Кислотные компоненты разлагающихся веществ. Новый метод выяснения структуры. J. Am. Chem. Soc. 1945, 67, 447-454. [Google Scholar] [Перекрестная ссылка]
- Свифт Дж.А. Кутикула человеческого волоса: биологический заговор в пользу владельца. J. Cosmetic. Sci. 1999, 50, 23-47. [Google Scholar]
- Лидер Дж.Д.; Риппон Дж.А. Изменения, вызванные свойствами шерсти специфической модификацией эпикутикулы. Цвет. Технология. 1985, 101, 11-16. [Google Scholar] [Перекрестная ссылка]
© 2019 от авторов. Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья находится в открытом доступе и распространяется на условиях лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).