Die Biegung vom Haar wissenschaftlich ausgeführt.

Die Biegung. Wenn eine Faser einer Biegespannung ausgesetzt ist, wird der äußere Teil einer Dehnung ausgesetzt, während werden die Innenteile komprimiert. Diese Art der Beanspruchung ist nicht "rein", da das Haar wird verschiedenen Arten von Belastungen ausgesetzt, aber seine Auswertung ist sehr nützlich, da es die äußere Schichten der Faser, deren Eigenschaften durch die Dehnung wenig beeinflusst werden.

Für die Messung des Biegemoduls wurden zahlreiche Methoden vorgeschlagen, darunter statische Methoden, bei denen die Faser durch Anwendung einer bestimmten Kraft gebogen und ihre Dehnung aufgezeichnet wird, und dynamische Methoden, bei denen die Fasern, die horizontal durch eine der ihre Enden, sind Vibrationen ausgesetzt.
Mit Hilfe eines Pendels wurde beobachtet, dass das Verhalten unter Beugung in direktem Zusammenhang zum Durchmesser der Fasern (198) (Abb. 36): Der Biegemodul ist proportional zumDurchmesser hoch 4.

Verdrehung
Aufgrund der Geometrie der Haare, insbesondere des kleinen Durchmessers und der elliptischen Form, ist die Eigenschaften unter Torsion sind schwer zu bewerten. Allerdings sind Methoden, die auf der Torsion Pendel (177.200.201) gelungen, auch im flüssigen Medium.
Die Auswertung des Verhaltens von Haaren unter Torsion ist sehr wertvoll, da diese Art von der Beanspruchung umfasst andere strukturelle Zonen als die, die mit der Traktion oder der Beugung zusammenhängen. Die axial-fibrilläre kristalline Struktur der Proteine führt dazu, dass die Mikrofibrillen nur wenig von der Torsion beeinflusst werden. Mit dieser Art der Messung erhält man ein Bild der Verhalten der amorphen Bereiche der kortikalen Matrix (204). Diese Methode wurde daher um den Zusammenhang zwischen der Matrixstruktur und den Eigenschaften der Haare herzustellen. Es wurde gezeigt, dass im trockenen Zustand die Torsions- und Zugmodule der Haare wurden durch die Temperatur oder die kovalenten Disulfidbindungen nicht signifikant beeinflusst. Im Gegensatz dazu ist die Empfindlichkeit des Torsionsmoduls gegenüber Wasserrückgewinnung und pH-Wert weitaus höher als der des Zugmoduls. Somit sind Ionenbindungen und Wasserstoff Verbindungen sind sehr wichtig für die Torsionseigenschaften.

Verschiedene Studien haben gezeigt, dass es keinen offensichtlichen Zusammenhang zwischen der Torsionsmodul und den Faserdurchmesser (177.211.212). In Wasser nimmt der Logarithmus ab variieren mit dem Durchmesser. Außerdem ist die Dicke der Schuppenschicht unabhängig vom Haardurchmesser gleich, etwa 3 μm. Wolfram et al. (200) vermuteten, dass diese Beobachtung auf die plastische Art und niedriges Modul der Kutikula (siehe auch den Abschnitt über die Auswirkungen der Kutikula). Die mechanischen Eigenschaften werden durch die Wasserrückgewinnung, die Temperatur und die kosmetischen Behandlungen oder Schäden, die durch Umwelteinflüsse, z.B. durch ultraviolettes (UV) Licht, verursacht werden. Die beiden letzten Punkte werden in Kapitel 12 behandelt, und die ersten werden im Folgenden besprochen.

Das Phänomen der Entspannung
Es wurden eine Reihe von Entspannungsstudien in verschiedenen Medien durchgeführt, um festzustellen Struktur/Eigenschafts-Beziehungen und zur Ermittlung der Auswirkungen einiger Komponenten des Struktur auf makroskopische Eigenschaften (213.214). Eine spezifische Studie zur Relaxation von Wolle Fasern nach Belastung (215) zeigten, dass zwei Prozesse auftreten, wenn eine Faser in Wasser. Eines war schnell und spielte eine große Rolle im Verlauf der Entspannung: Es betraf die Bruch von nicht-kovalenten Bindungen; die andere war langsamer, wobei die Entspannung über eine längere Zeit und resultierte aus der Spaltung von Disulfidbindungen.

Dynamische Messungen
Die viskoelastischen Eigenschaften von Materialien können durch Anwendung einer sinusförmigen Spannung untersucht werden.
Diese Art der Charakterisierung wird viel im Bereich der Polymere (216) verwendet, die nicht zeigen ein vollkommen elastisches Verhalten. Dynamische Messungen berücksichtigen einen Parameter die nicht an statischen Messungen beteiligt ist: die Zeitspanne zwischen der Belastung und der Reaktion des Materials, die einen Energieverlustprozess widerspiegelt, der in der Material.

Darüber hinaus ist diese Art der Messung ideal geeignet, um Veränderungen in mechanische Eigenschaften im Laufe der Zeit als Folge von Änderungen der Haarzusammensetzung. Die ersten Versuche mit Keratinfasern (Wolle) wurden von Mason durchgeführt. In den 1970er Jahren und 1980er Jahren wurden von australischen Gruppen zahlreiche Studien zu verschiedenen Arten von Keratin-Faser. Diese Studien zielten hauptsächlich auf das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Wasser und Wolle bzw. Haar und es gelang, die Auftreten von transienten Phänomenen, die auf die Reorganisation von Wasser innerhalb des Proteins zurückgeführt werden

Matrix.

Die Torsion kann auch dynamisch gemessen werden. Mit dieser Methode können Mackay und Downes berichteten, dass transiente Spannungen, die während der Sorption und Desorption auftreten, eine vorübergehende Absenkung des Steifigkeitstorsionsmoduls. Dieses Phänomen könnte etwa durch den transienten sorptionsbedingten Stress, der mit der Wasserfront verbunden ist Penetration. Nach dem Durchdringen der Front würde die Spannung fallen und die Bindungsneubildung war zu erwarten. Diese Beobachtung muss mit den beschriebenen Phänomenen verglichen werden im Hinblick auf die dynamischen Zugeigenschaften.
Wolfram und Albrecht untersuchten somit das viskose Verhalten von Haaren im trockenen Zustand und im Wasser. Die berichteten Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Haarkutikula, während sie zäh und widerstandsfähig in der trockene Zustand, erfährt eine viel stärkere Plastifizierung des Wassers als die Haarrinde.

Die Auswirkungen der Cuticula auf die mechanischen Eigenschaften wurden in verschiedenen Papiere. Es hat sich gezeigt, dass keine erkennbaren Veränderungen der Zugeigenschaften (in nasser oder trockener Zustand) waren mit oder ohne Kutikula nachweisbar (226). Es ist bekannt, dass Cuticulazellen sind im Wesentlichen nicht dehnbar, und diese Dehnung verursacht hauptsächlich Scherspannungen zwischen den Schichten von unterschiedlicher Zusammensetzung und Dehnbarkeit innerhalb der Kutikula-Zelle. Fehler erscheinen in der
schwache Endokutikula, und der Schaden ist irreversibel.
Es wurde über eine Studie über das Krümmen von menschlichem Haar berichtet, und der Autor schlug vor, dass die Kutikula könnte einen Beitrag zur Biegefestigkeit leisten. Mit der Verfügbarkeit von nano-mechanischen Techniken und AFM haben wir nun Zugang zum lokalen Modul der Cuticula und noch genauer, zu den Modulen der Exocutikula und Endocutikula. Also, Es wurde darauf hingewiesen, dass die Kutikula trotz ihrer relativen Dicke eine signifikante Beitrag (74%) zur Gesamtbiegung, wobei 66% aus der Exokutikula und 8% aus der
Endokutikula.
Was die dynamischen Torsionseigenschaften von Wolle betrifft, so hat sich gezeigt, dass eine Abnahme der Der Faserdurchmesser korrelierte signifikant mit der Zunahme des Verlustwinkels bei allen Wasser gewinnt wieder, d.h. ein kleinerer Durchmesser ist mit einer höheren Viskosität verbunden.

Wirkung von Wasser
Die Stabilität der Proteinarchitektur des Haares, insbesondere in der kortikalen Matrix, ist auf die hohe Dichte des Netzwerks der schwachen Bindungen, die es zwischen Polypeptidketten. Diese nicht-kovalenten, Wasserstoff- oder Salzbindungen werden durch den Eintrag von Wasser in die Struktur stark gestört. Als Folge davon wird die mechanische Eigenschaften der Fasern erheblich verändert werden und insbesondere ihre Reaktion auf Zugkraft.
Der stärkste Einfluss von Wasser tritt bei relativ hoher Belastung auf, was sich in der folgenden Beobachtungen:
- Ein Spannungsabbau im Fließbereich führt zu keiner merklichen Dehnungsänderung an der Ertragsschwelle. In Wasser beträgt die Spannung, die erforderlich ist, um eine gegebene Dehnung zu erhalten, ungefähr zweimal weniger als bei trockener Witterung.
- Eine Zunahme der Dehnung an der Bruchstelle, begleitet von einer Abnahme der Spannung, ohne jede messbare Änderung des Moduls im Nach-Ertrags-Bereich.
- In geringerem Maße eine Abnahme des E-Moduls im Hooke-Bereich.

Ebenso werden Relaxationsvorgänge deutlich verändert wie erwähnt vorhin. Wird das Haar beispielsweise bis zur Streckgrenze (115-130% seiner ursprünglichen Länge) unter trockenen Bedingungen, d.h. bei niedriger relativer Luftfeuchtigkeit, benötigt es eine unendlich lange Zeitspanne von Zeit, um seine ursprüngliche Länge wieder zu erreichen, wenn der Stress entspannt ist. Im Gegensatz dazu, wenn die gleiche Experiment im Wasser durchgeführt wird, benötigt das Haar nur wenige Stunden, um wieder zu seinem ursprünglichen Länge.

Bei dynamischen Messungen wurde auch festgestellt, dass der Elastizitätsmodul abnimmt wenn der Wassergehalt des Haares zunahm und die Viskosität des Haares sehr stark zunahm.

Einfluss der Temperatur
Eine Reihe von Studien wurden an Wolle durchgeführt, um die mechanische Eigenschaften in Abhängigkeit von der Temperatur.
Hauptsächlich wurden Torsionsspannungen verwendet, aber auch andere Arten von Spannungen kamen zum Einsatz. Die Zweck war sowohl ein besseres Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen zu erhalten als beschreiben den thermischen Übergangsprozess von Wolle und Haaren. Eine Abnahme des E-Moduls wurde beobachtet, wenn der Temperaturerhöhung bei einer Wölbung in den Modulen bei -90°C, die verbunden mit einem Übergang aufgrund der Anwesenheit von Feuchtigkeit in der Faser. Dieser Rückgang ist auch abhängig vom Wassergehalt der Haare. Bei höheren Temperaturen wird ein scharfer wird gesehen. So ist bei Corriedale-Wolle bei etwa 130°C oder darüber (in Wasser), wird der E-Modul sehr niedrig. Bei etwa gleicher Temperatur, die α-Keratinstruktur, wie sie durch Röntgenbeugungsdaten angezeigt wird, wird durch randomisierte β-Keratin-Kristallite.
Nur wenige Arbeiten haben die Veränderung der mechanischen Parameter nach Temperatur im menschlichen Haar. Es wurde festgestellt, dass der Elastizitätsmodul, die Nachgiebigkeit
Modul und Faserfestigkeit nehmen mit steigender Temperatur ab, während die Dehnbarkeit erhöht.

Ethnische Herkunft
Die Steigung der Spannungs-Dehnungs-Kurve ist unabhängig von der ethnischen Herkunft der Haare. Es müssen jedoch die beobachteten Unterschiede berücksichtigt werden. Zum Beispiel asiatisches Haar, gekennzeichnet durch einen größeren Querschnitt, gilt als widerstandsfähiger, d.h. eine größere Zugkraft muss so groß sein, dass eine bestimmte Dehnung erreicht wird. Bei afrikanischen Haaren ist die Größe des Querschnitts variiert aufgrund der Konfiguration der lockigen Haare stark.
Um die mechanischen Eigenschaften zu vergleichen, ist es notwendig, den Haardurchmesser zu berücksichtigen. Unter diesen Bedingungen werden keine Unterschiede bei verschiedenen Belastungsniveaus beobachtet, unabhängig von der ethnischen Herkunft des (Natur-)Haares untersucht. Dies steht in guter Übereinstimmung mit Studien zur Struktur der Haare in verschiedene ethnische Gruppen. Bei niedrigeren Luftfeuchtigkeiten unterscheidet man afrikanisches Haar von Kaukasisches Haar durch das Vorhandensein von vorzeitigen Ausfällen bei geringen Belastungen.
Es scheint klar zu sein, dass die oben beschriebenen Arten des Haarverhaltens eng verbunden sind mit Veränderungen der intimen Struktur des Haares durch mechanische Belastung. Verschiedene Modelle wurden vorgeschlagen, um die Spannungs-/Dehnungskurven zu erklären.

Modelle
Seit den 1960er Jahren stehen immer ausgefeiltere Techniken zur Verfügung für Untersuchung der Struktur der Haarfaser zusammen mit immer besseren und stärkeren Werkzeuge für die numerische Berechnung. Als Ergebnis wurden Simulationsmodelle zur Beschreibung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen. Sie wurden ursprünglich vor allem für Wolle konzipiert, deren Struktur ist der des Haares sehr ähnlich.
Modelle basieren auf Struktur. Modelle, die zur Interpretation der Zugkurven von Haaren oder Wolle waren Gegenstand vieler Diskussionen. Eine kritische Überprüfung der strukturellen Mechanik von Wolle und Haar wurde von Hearle veröffentlicht. Derzeit werden drei Haupt Modelle koexistieren: das ursprünglich von Feughelman entwickelte "Serien-Zonen"-Modell und die später von Wortmann und Zahn verbessert wurde, das ebenfalls von Wortmann und Zahn vorgeschlagene Kugelmatrixmodell Feughelman, und Chapmans zusammengesetztes Modell.

Die drei Modelle haben in gemeinsam, dass sie den elastischen Widerstand gegen Faserzug, zumindest unter schwacher Spannung, die zum größten Teil mit den kristallinen Bereichen (Zwischenfäden) zu verbinden ist und dass die Ausbeute durch einen Phasenübergang in diesen Bereichen erklärt wird, wobei die Keratinketten von der Helixform in eine gestreckte Form übergehen, sogenannte β-Faltblätter. Dieses α-β Übergang wurde von Bendit durch die Untersuchung von Röntgenbeugungsdiagrammen nachgewiesen von Wollfasern unter Stress und unterschiedlichen Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen. Das sogenannte "Serien-Zonen"-Modell beschrieb das Haar als amorphe Matrix aus schwache elastische Beständigkeit, aber hohe Viskosität, die steifere und elastische Bereiche umgibt, den Mikrofibrillen assimiliert, in denen zwei abwechselnde Arten von Zonen, X und Y, existierten. X Die Zonen wurden α-β im Ertragsbereich umgestellt, während die starreren Y-Zonen nur im Post-Yield-Bereich Verschiebungen erfahren. Dieses Modell berücksichtigt die Spannungszunahme im Nach-Ertrags-Teil der Kurve. Dieses Modell war die Grundlage für mehrere Varianten, die weiter von Feughelman und anderen vorgeschlagen wurden.

Auf der Grundlage dieses Modells wurden erhebliche Fortschritte erzielt, die sich aus Studien mit dem Ziel ergeben Identifizierung der spezifischen Regionen der Keratinstruktur des IF. Sie wurden veranschaulicht durch Feughelman's Arbeit basiert auf den ersten Beschreibungen der IF-Struktur und später durch Wortmann und Zahn, die neue Definitionen der X- und Y-Zonen vorschlugen von den Fortschritten bei der Keratin-Sequenzierung und dem Wissen über die molekulare Organisation profitieren der IF. Alle diese Studien konzentrierten sich auf die Struktur der IF, während die Matrix fast komplett ignoriert.
Chapman veröffentlichte ein anderes Modell. Es basierte auch auf der Koexistenz von die beiden Bereiche im Haar, aber einer war die Matrix, mit einem Elastomer-Verhalten und der andere Eine davon waren die Mikrofibrillen, die sowohl als starre als auch als elastische Kristalle betrachtet wurden und die in der Lage sind die sich in einem α-β Übergang befindet.
Die Originalität dieses Modells ergibt sich aus der Art und Weise, wie die Matrix impliziert ist, da als stark vernetztes Gel mit Elastomerverhalten betrachtet und vor allem von der Tatsache, dass stabile Bindungen zwischen Matrix und Mikrofibrillen eingeführt werden.

Diese Bindungen ermöglichen eine Spannungsübertragung zwischen den beiden Bereichen. Mehrere Verbesserungen dieses Modell wurde auch von Chapman vorgeschlagen. Eines der interessant ist die Identifizierung von Vernetzungen zwischen der Matrix und dem IF als Disulfidbindungen, die die Endbereiche der IF-Fibrillenproteine und die Matrix verbinden, selbst beschrieben als kugelförmige Struktur, die durch inter- und intramolekulare Bindungen stark vernetzt ist. Der Wert dieses Modells besteht darin, dass es nicht nur Zugkurven vollständig berücksichtigt, sondern auch, vor allem ist es auch in voller Übereinstimmung mit den verschiedenen Relaxationskurven der Haare, auch in Wasser, dank der Hypothese einer Matrix, die sich wie ein hydrophiles Gel verhält und von wasserundurchlässigen kristallinen Zonen.

1994 schlug Feughelman ein neues Modell vor, in dem die Matrix mit einer Gruppe von Proteinen, umgeben von Wasser, hoch mobil. Er postulierte auch die Existenz von kovalente (Disulfid-)Bindungen zwischen Mikrofibrillen (mit Beteiligung der Endregionen von Proteinen). Die Erklärung für den Fließbereich der Traktionskurven war ein Gel-Sol Übergang der kugelförmigen Proteine, was zu einer neuen, sehr flüssigen Organisation führt, in der die Wassermoleküle ordneten sich sehr schnell neu an. Dieses Modell scheint sehr unvollkommen zu sein, vor allem, weil es eine sehr schwache Vernetzung der Matrix berücksichtigt, die kaum verträglich mit dem hohen Cystingehalt und mit der mechanischen Festigkeit der Fasern,
sowie das Vorhandensein von extrem beweglichem Wasser, das bei 0°C gefrieren sollte, was ist nie der Fall.

Aber der Hauptnachteil dieser verschiedenen Modelle ist, dass die Beziehungen zwischen den verschiedene Strukturelemente des Haares (insbesondere die Proteine) und die mechanische Eigenschaften werden nicht vollständig berücksichtigt. Abgesehen von dem Modell von Wortmann und Zahn, Es wurde kein Versuch unternommen, die Rolle der verschiedenen Elemente genau zu bestimmen. Einige Autoren haben Interpretationen bestimmter spezifischer mechanischer Eigenschaften angeboten, wobei sie die Berücksichtigung des Beitrags der verschiedenen Arten von Disulfidbindungen, die in Keratine. Außerdem hat der für die Einführung dieser Modelle unerlässliche Übergang α-β befragt worden. Neue Vorschläge zur Beschreibung des Beitrags von Strukturelementen sind die das mechanische Verhalten des Haares mit Veränderungen in der Organisation der
Matrix-Mikrofibrillen-Komplex.

Rheologische Modelle. Bei dieser Art von Modell wird nicht versucht, mechanische Verhalten des Materials zu seiner Struktur, sondern nur zur mathematischen Beschreibung der Spannungs-/Dehnungskurven auf der Basis der Gesetze der Mechanik. Das erste vorgeschlagene Modell war die von Burte und Halsey, aber die nützlichste wurde von Pichon vorgeschlagen die das Verhalten der Haare unter Zug und Entspannung vollständig berücksichtigt, mit verschiedenen Parametern wie z.B. Belastungsrate oder Feuchtigkeitsgehalt.
Da es jedoch keine Möglichkeit gibt, diese Modelle mit einer beliebigen Struktur der Material, ihr Wert ist begrenzt. Daher der Vorschlag anderer Modelle, die versuchen, die der rein mathematische Ansatz mit einer Strukturbeschreibung der Haare. Es ist dann der Ansicht, dass das Haar aus zwei verschiedenen Phasen besteht: einer kontinuierlichen viskoelastischen Phase und diskontinuierliche elastische Fibrillarbereiche. Jeder dieser Bereiche kann durch verschiedene mechanische Parameter nach dem Wassergehalt der Haare. So, Tao und Postle erklärte das Verhalten der Haare anhand von sieben viskoelastischen Parametern die mit diesen beiden Bereichen verbunden sind.
Ähnlich Curiskis , in einem Modellierungsansatz durch fertige Elemente, eine Reihe wichtiger mechanischer Parameter für jede Phase definiert. Diese Ansätze sind sehr interessant, aber schwierig zu verwenden, um die Struktur/Eigenschaften zu verstehen Beziehungen der Haare.