Towards a Better Physical Understanding of Human Hair : Development of Fiber Tribology-Methods at the Micro- and Nanoscale

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Max, Eva C.:
Towards a Better Physical Understanding of Human Hair : Development of Fiber Tribology-Methods at the Micro- and Nanoscale.
Bayreuth , 2010
( Dissertation, 2010 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Die Zielsetzung dieser Arbeit ist die Weiterentwicklung verschiedener physikalischer Messmethodiken zur Untersuchung von Mikrofaseroberflächen. Das zugrunde liegende System hierbei hat das Augenmerk auf die Veränderungen der Oberflächen von Haaren durch applizieren mit unterschiedlichen Shampooformulierungen. Fokussiert werden die physikalischen Veränderungen, einerseits in der Makro - und Mikroskala und andererseits in der Nanoskala. Haarpflegemittel wie Shampoos oder Conditioner spielen eine wichtige Rolle für unser Wohlbefinden und bieten einen weltweit attraktiven Markt für die Industrie. Von Seiten der Forschung wurde die Wirkungsweise und Adsorption von aktiven Wirkstoffen in Haarpflegemitteln deshalb intensiv untersucht. Im Gegensatz dazu stecken quantitative Messungen der Veränderungen in den Reibungs- und Wechselwirkungseigenschaften, die durch die Behandlung erreicht werden noch in den Anfängen. Unser Ziel ist hier, Methoden zu entwickeln, die es erlauben solche Eigenschaften zu untersuchen und damit die Basis für eine gezielte Optimierung von Haarpflegeprodukten zu bieten. Die wichtigsten aktiven Substanzen in Haarpflegemitteln sind kationische Polymere. In dieser Arbeit wurden drei der auf dem Markt käuflich erwerbbaren Polymere (Polyquaternium-10, Polyquaternium-87 und Jaguar C-13S) in Hinblick auf ihr Wechselwirkungsverhalten mit dem negativ geladenem Netzwerk der Haaroberfläche untersucht. Ein modifizierter Aufbau des so genannten Universal Oberflächen Testers lieferte Ergebnisse zu den Reibungseigenschaften von Haaren im Mikrometerbereich. Mit der Entwicklung einer neuen Messzelle und der Kalibrierung eines selbst konstruierten Messkopfes wurde das Instrument an das Haarfasersystem angepasst und optimiert. Das Material des Messkopfes (Styrol-Butadien-Kautschuk) wurde dem Material von herkömmlichen Kämmen angeglichen, um einen direkten Vergleich mit Ergebnissen, die aus der so genannte Kämmkraftmethode hervorgingen, zu ermöglichen. Der Schwerpunkt lag auf der Veränderung der auftretenden Reibungskräfte nachdem die Wirkstoffe auf das Haar aufgebracht wurden. Alle drei Polymere verursachten eine Reduktion der Reibungskräfte, die höchste konnte dabei dem Polymer Polyquaternium-87 zugeschrieben werden. Bei beiden Methoden werden jedoch viele verschiedene Wechselwirkungen detektiert, nämlich die Reibung zwischen den einzelnen Haaren, deren Verwicklungen untereinander, die Reibungen zwischen den kationischen Polymereren mit den Haaren und mit dem Kammmaterial und die Wechselwirkungen der Haare mit dem Styrol-Butadien-Kautschuk. Mit dieser Erkenntnis galt es einen Weg zu finden, der diese auftretenden Multikräfte voneinander separiert. Hierfür wurde der Aufbau eines Rasterkraftmikroskop so modifiziert um die Wechselwirkungen zwischen zwei einzelnen Haaren zu detektieren. In einem Rasterkraftmikroskop dienen mikrofabrizierte Blattfedern (Cantilever) als ultra-sensitive Kraftdetektoren, wodurch Kräfte im Bereich von 10^{-11} bis 10^{-5} N gemessen werden können. Um dieses Werkzeug zur Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen einzelnen Haaren zu nutzen, wurden mit einem Laser-Skalpell Haarfragmente passender Größe (~50 µm) zurecht geschnitten und an den Cantilever fixiert. Dadurch konnten die direkten Wechselwirkungs- und Reibungskräfte zwischen einem Haarfragment und einem weiteren, auf der Oberfläche immobilisierten Haar, gemessen werden. Zunächst lag der Fokus darin, die auftretende Adhäsionskraft zu charakterisieren und mit einem statistischen Ansatz zu quantifizieren. Mit einem Wert der Adhäsionskraft von 38.08 ± 11.60 nN war es möglich anhand eines Kontinuumskontaktmechanikmodells nach Johnson, Kendall und Roberts die daraus resultierende Adhäsionsenergie pro Kontaktflächeneinheit zu 0.1124 {mJ/ m² zu ermitteln. Dieser relative kleine Wert kann unter anderem darin begründet liegen, dass die eigentliche Kontaktfläche zwischen dem Haarfragment und dem Substrathaar in Wirklichkeit relativ ungewiss ist, da die Schuppen auf der Haaroberfläche einige Mikrometer lang sind und eine Höhe von mehreren hunderten Nanometern besitzen. Solche Größenordnungen sind für rasterkraftmikroskopische Untersuchungen von Wechselwirkungskräften riesig. es Weiteren wurde unter der eben erwähnten Aufbausmodifikation des Rasterkraftmikroskops ein Schwerpunkt auf die Ermittlung der auftretenden Reibungskräfte zwischen zwei einzelnen Haaren gelegt. Ein entscheidender Unterschied zu den vorangegangenen Messungen liegt darin begründet, dass die beiden Haare emph{in situ} mit den verschiedenen Polymeren behandelt wurden. Hierbei wurde einem Waschzyklus nachempfunden. Somit war es möglich nach der Behandlung mit den verschiedenen Polymeren die Änderung der Reibungskraft festzustellen. Die auftretende Reduktion der Reibung konnte in einem guten Einklang mit den Kämmkraftdaten gebracht werden. Genau wie bei diesen, erzielte das Polymer Polyquaternium-87 ein anderes Verhalten, verglichen zu den anderen beiden Polymeren. Bei den Einzelhaarmessungen wurde mit dem Polymer Polyquaternium-87 die geringste Reibungsreduktion gemessen. Ein Vergleich zwischen sogenannten Haptikprüftests und den Ergebnissen, die von den verschiedenen Messmethodiken dieser Arbeit erzielt wurden, eröffnet neue Wege solche Sinnestests physikochemisch zu quantifizieren.

Abstract in weiterer Sprache

In conclusion, we have developed techniques for the investigation of physical forces on microfiber surfaces. The experiments were carried out on hair fiber surfaces and their treatment with different conditioning formulas. We studied the physical behavior on the macro/micro- and on nanoscale. Shampoo treatment and hair conditioning have a direct impact on the well-being of humans by improvements to the combability and haptic perception of hair. Therefore, systematic investigations should lead to a dramatic quality improvement of hair care products. The active substances in conditioning shampoos are cationic polymers. In this thesis, three commercially available polymers (Polyquaternium-10, Polyquaternium-87 and Jaguar C-13S) were tested with a focus on their interaction behavior with the negatively charged hair surface net. A modified set up of the Universal Surface Tester informed us about the friction forces occurring in the micrometer range. Hereby the instrument was optimized for the hair fiber system. We developed a novel measuring cell that adapted the instrument for measurement of hairs and we calibrated a self-constructed novel measuring head. This new head consists of styrene-butadiene-rubber, because this is the material used to produce normal combs. This allowed us to compare the achieved friction force reduction after the hairs were treated with the different polymers, with existing data, investigated from the so called and Comb Force Method. All three polymers cause a friction reduction on the hair surfaces and Polyquaternium-87 shows the highest reduction. However, when using these methods multiple forces occur, including the interaction between the hairs, the entanglements of hairs, the interaction of conditioning polymers with the hair and the comb material, and the comb material and the hair, and therefore we tried to find a way to separate these forces from each other. To this end, we investigated a set up to measure single hair interactions with an Atomic Force Microscope. Based on different models of continuum contact mechanics we modified the instrument in such a way that we could study the interactions of two hairs in a crossed cylinder geometry, which were brought in contact to each other. We glued a hair fragment with a length of ~50 µm (which was cut with a micro laser) to a tipless cantilever spring, so that it was possible to detect with this modified measuring head the forces between the hair probe and another hair. First we investigated the adhesion forces occurring between the hair probe set up. After a statistical approach for the adhesive force of 38.08 ± 11.60 nN, we could calculate the adhesive energy per unit area of two hairs to 0.1124 mJ/m², based on the theory of JKR (Johnson, Kendall and Roberts). A reason for this relatively small value is that the cuticle scales which are a few microns along the hair and a few hundred nanometers in thickness result in a relatively large uncertainty of the size of the contact area between the hairs. In addition to that, we used the modified set up to investigate friction forces between two hairs. The main difference to the measurements of the adhesion forces was an in situ treatment of the hair probe set up, where we could investigate the changes of friction forces by adding the different conditioner polymers. This was achieved by mimicking a cycle of hair washing. Hereby a similar behavior appears, like the friction force reduction achieved with the Comb Force Method. The polymer Polyquaternium-87 demonstrated different behavior compared to the others, for example, with the single hair measurement the level of friction reduction was the lowest. newline A comparison between Haptic Panel Tests and the results achieved from the different techniques of this work allowed the quantification of these tests of sense in a physico-chemical way.