Электростатические свойства микроволокон для волос (загустителей волос)

В последние годы в технологии изготовления косметических средств стали использовать электрический заряд. Совсем недавно меня заинтересовал новое средство «Наноген» производства Великобритании — камуфляж для редеющих волос. В рекламе сообщалось, что каждая прядь волос стала пышнее на вид, благодаря обволакивающим кератиновым микроволокнам, присоединившихся к нему перпендикулярно за счет электростатического заряда. Эти волокна наносятся просто при встряхивании специального контейнера. Изучая эту категорию товаров, я обнаружил еще три торговых марки, при этом большинство пользователей отдавали предпочтение средству «Наноген». Как специалист в области электростатики я решил изучить заявленные производителем свойства и относительную эффективность каждого из средств и составить независимый отчет с количественными данными.

Заряженные волокна

Самое распространенное заявление производителей волокон для волос — это то, что их продукты обладают большим зарядом, чем остальные, благодаря чему волокна обволакивают волос. Заряды волос отличаются друг от друга и могут меняться в зависимости от условий; тем не менее, оказалось, что заряд волокон играет важную роль в обволакивании.

Было установлено, что наибольший заряд волокна имели в момент высыпания из контейнера, поэтому исследуемые продукты сравнивали сразу после извлечения из упаковки, чтобы смоделировать их действие при нанесении на волосы. Опыт был проведен в 10 раз и, ввиду незначительной погрешности, был выведен средний результат.

Рис. 1. Таблица сравнения плотности заряда микроволокон разных торговых марок после распределения.

Рис. 2.Диаграмма сравнения средних значений плотности заряда микроволокон разных торговых марок после распределения, 10 повторов.

Результаты, представленные на рис. 1 и 2, отчетливо показывают, что все марки волокон при распределении имеют электрический заряд. Одни волокна заряжены положительно, поэтому соотношение заряда и массы тоже положительно; другие — отрицательно, поэтому и соотношение заряда и массы отрицательно. Из всех проверенных торговых марок средство Nanogen имело положительный заряд в 4,5 раза больший, чем у ближайшего конкурента, а независимо от полярности его заряд превышал показатели всех остальных брендов более чем в 3 раза.

Предполагалось, что зарядная емкость волокон преимущественно обусловлена основным компонентом состава и положением этого компонента в трибоэлектрическом ряду напряжений. В качестве основы волокна содержали в разном количестве кератин, вискозу и нейлон, которые имеют отличные друг от друга позиции в трибоэлектрическом ряду напряжений. Поскольку и Toppik, и Nanogen состоят из кератина, предполагалось, что их заряд будет иметь одинаковую полярность и амплитуду. Однако полярность зарядов была противоположной, а заряд волокон Nanogen имел большую амплитуду, что позволило мне сделать вывод, что заряд обусловлен не только основным составом волокон, но и другими свойствами и/или характеристиками

Распределительная упаковка

Следующее после состава отличие продуктов друг от друга — распределительная упаковка. Компания «Наноген», в частности, делала смелые заявления относительно дизайна упаковки и ее свойств увеличивать заряд волокон. Чтобы проверить эти утверждения, было проведено несколько испытаний. Поскольку волокна у разных производителей разные, было бы непрактично и ненаучно сравнивать контейнеры и волокна между собой, поскольку тогда пришлось бы иметь дело с двумя переменными. В состав дозирующей упаковки Nanogen входит металлическая пластинка, предназначенная для заземления содержимого.

Рис. 3.Таблица сравнения плотности заряда волокон Nanogen после высыпания из контейнера с заземлением и без заземления металлической пластинки.

Чтобы проверить это утверждение, металлическую пластинку извлекли из одного контейнера Nanogen и оставили в другом в качестве контроля, чтобы продукт был заземлен при распределении. Каждый контейнер использовали по 10 раз; результаты представлены на рис.3

Рис. 4. Диаграмма сравнения средней плотности заряда волокон Nanogen после распределения с заземлением и без заземления металлической пластинки, 10 повторов.

Рис. 3 и 4 показывают, что заземление металлической пластинки не оказывает существенного влияния на заряд волокон.Возможно, это обусловлено заземлением на металлическую пластинку, которое регулирует заряд волокон до высыпания, устраняя спонтанные заряды и обеспечивая высокую повторяемость заряда при распределении.

Следует отметить, что и без металлической пластинки заряд Nanogen в 2 раза превышал показатели конкурентов (и на 50 %, если не учитывать полярность), свидетельствуя о том, что состав волокон и металлическая пластинка на контейнере не единственные факторы, влияющие на амплитуду заряда.

Поскольку регулирование заряда волокон перед распределением положительно сказывается на создаваемом заряде, кажется правдоподобным, что использование амфотерных химических веществ (например, некоторые поверхностно-активные вещества), эффективно нейтрализующих материалы, будет оказывать аналогичный эффект на конечный результат.

Такие вещества могут быть нанесены на сами волокна в процессе производства, непосредственно перед распределением или в ходе него, а также на волосы в качестве подготовки у нанесению волокон. Однако в результате предварительного исследования обработки химическими веществами не установлено.

Небольшие частицы часто заряжаются при столкновении друг с другом или с другим подходящим материалом. Столкновение волокон в результате встряхивания контейнера и высыпания содержимого представляется правдоподобным.

Рис. 5. Таблица сравнения плотности заряда волокон Nanogen после распределения с предварительным распределениеми без него. В обоих испытаниях использовали контейнер без металлической пластинки, чтобы исключить заземление как переменную.

Рис. 6. Диаграмма сравнения средней плотности заряда волокон после распределения с предварительным распределением и без него.

Результаты, представленные на рис. 5 и 6, показывают, что увеличение случаев сталкивания волокон друг с другом, например путем встряхивания закрытого контейнера, повышает амплитуду заряда при высыпании. Таким образом, дополнительное увеличение числа столкновений волокон, применяемый до распределения или во время него, вероятно, позволит увеличить получаемый заряд.

Перпендикулярное «прилипание»

Еще одно распространенное утверждение производителей заключается в том, что после распределения волокна «прилипают» к волосу перпендикулярно. По их мнению, это позволит сделать волосы визуально пышнее, что кажется логичным. Однако теоретически положительно заряженные волокна, коснувшись отрицательно заряженных волос, пристанут к ним параллельно, а отрицательно заряженные волокна будут отталкиваться и вообще не пристанут. Вследствие этого были проведены испытания, чтобы на практике определить, могут ли волокна «прилипать» к волосам перпендикулярно и будет ли разница статистически значимой.

Рис. 7. Предметное стекло, на котором видно параллельное «прилипание» волокон к человеческому волосу.

Как показано на рис. 7, волокна большинства торговых марок «прилипли», как ожидалось, лишь несколько отдельных волокон пристали к волосу перпендикулярно. Таким образом, статистически значимой разницы в способе «прилипания» обнаружено не было.

Рис. 8. Предметное стекло, на котором видно перпендикулярное «прилипание» значительного числа волокон к человеческому волосу.

На рис. 8 видно, что волокна одной торговой марки Nanogen действительно «прилипли», как было заявлено: большая часть волокон находилась перпендикулярно к волосяному стержню; при этом увеличение числа волокон, приставших к волосу перпендикулярно, было статистически значимым.

Поскольку лишь при анализе средства Nanogen наблюдалось статистически значимое число волокон, приставших к волосам перпендикулярно, было решено выяснить, чем обусловлен этот эффект. Поскольку волокна Nanogen несут самый сильный заряд, представлялось вероятным, что они плотнее других пристанут к волосу параллельно, и результат был бы еще интереснее. Вероятно, существует вторичный электростатический эффект, который проявляется в процессе использования волокон, превышает положительный заряд и вызывает перпендикулярное «прилипание».

Одно из возможных объяснений перпендикулярного «прилипания» при высоком положительном заряде — это хорошая удельная проводимость волокон Nanogen. Это свойство имеет определенную связь и с наличием металлической заземляющей пластинки, действие которой тоже основано на удельной проводимости волокон. Соответственно, было решено проверить волокна на удельную проводимость.

Рис. 9. Таблица сравнения полярности, плотности заряда и удельной проводимости микроволокон. Меньшее значение определяет вещество с наибольшей проводимостью.

Рис. 9 показывает, что наибольшей проводимостью и зарядом обладают волокна Nanogen. Влияние проводимости на способ прилипания представляется вполне убедительным. Если бы волокна частично проводили заряд по своей длине, они бы образовывали диполи. Образование диполей свидетельствовало бы о том, что каждое волокно имеет на противоположных концах разный заряд, так что одним концом волокно «прилипало» бы к волосу, а другой конец отталкивался бы, обеспечивая тем самым перпендикулярное положение, показанное на рис. 8.

Опять же, предполагалось, что проводимость преимущественно обусловлена составом волокон, однако Toppik и Nanogen, имея одинаковую кератиновую основу, существенно различаются по проводимости. Должно быть, одно из волокон обладает неким физическим свойством или имеет покрытие, которое влияет на проводимость, полярность и амплитуду заряда.

Отсутствие электростатического заряда

Поскольку электростатический заряд волос меняется в зависимости от многих факторов, в том числе внешних условий, например влажности, и иногда они становятся нейтральными, эффективность микроволокон была бы выше, если бы они «прилипали» не только к заряженной, но и к нейтральной поверхности.

Для следующего испытания взяли две самые популярные торговые марки. Из каждого контейнера на гладкую латунную пластину высыпали примерно по 1 г волокна, пластину затем заземлили на 20 с, чтобы удалить ее остаточный заряд. Затем пластину установили в вертикальное положение и в течение 5 секунд 10 раз стукнули двумя пальцами, чтобы незаряженные волокна упали под действием притяжения и инерции.

Рис. 10. Кадры видеосъемки для сравнения двух торговых марок кератиновых микроволокон по их «прилипанию» к незаряженной поверхности.

Изображения анализировали в программе ImageJ, тщательно подсчитывая количество волокон на латунной пластине в каждую секунду испытания и вычисляя, сколько волокон «прилипло».

На рис. 10 и 11 видно, что волокна обеих торговых марок «прилипают» к пластине неэлектростатически, и это означает, что их свойства обусловлены не только электростатическим зарядом.

Волокна Nanogen пристали к латунной пластине гораздо сильнее, что указывает на наличие неэлектростатических свойств, также способствующих «прилипанию» волокон к волосам: это могут быть физические свойства или покрытие волокон. Следует отметить, что оба производителя советуют после нанесения волокон на волосы использовать фиксирующий полимер, однако в данном исследовании фиксирующий спрей не проверялся.

Заключение

Сочетание сильного положительного заряда и высокой удельной проводимости оказалось уникальным свойством микроволокон Nanogen. Оно может быть обусловлено физическими и химическими характеристиками, покрытием волокон, дизайном упаковки, а вероятнее, комбинацией всего этого.

Естественно, что благодаря сочетанию сильного положительного заряда и высокой удельной проводимости к волосу «прилипает» больший процент волокон Nanogen, при этом, в отличие от других изученных средств, наблюдается статистически значимое вертикальное «прилипание».

Вероятно также, что проводимость волокон Nanogen позволяет им «прилипать» к волосам, даже если заряд волос отличается от нормы. Это может объяснятья способностью к образованию биполярных зарядов.

Конфликт интересов

Настоящим подтверждаю, что за составление этого отчета я не получил никакой оплаты или комменсации, и результаты этого исследования не несут экономической выгоды.

Сведения об авторе

Грэм Л. Хирн, B.Sc C.Eng M.I.E.E
Факультет электроники и информатики
Университет Саутгенмптона
Саутгемптон
SO17 1BJ
Великобритания

Источник

Общие сведения о Грэме Хирне, предоставленные компанией Nanogen Hair Research редакторам

Должности
Научный сотрудник кафедры электроэнергетики в университете Саутгемптона (2007 г. – настоящее время)
Старший сотрудник в научно-исследовательской группе электроэнергетики в университете Саутгемптона (1981–2007 гг.)
Член Европейского технического комитета ( CENELEC) CLC/TC31/WG20 по разработке новых европейских стандартов по электростатике, норм и правил во избежание опасности вредного воздействия статического электричества PD CLC/TR 50404:2003.

Квалификация
Диплом с отличием по физике и технологии электроники, Университет северного Лондона (1975 г.).
Дипломированный инженер и корпоративный член Института инженеров-электриков
Член Института физики
Член-компаньон Института инженеров-химиков
Член-участник Американского общества по электростатике
Зарегистрирован в списке экспертов-свидетелей при обществе юристов
Член Ассоциации по нефти и взрывчатым веществам

Награды
Награда тысячелетия за Трибопен
Награда европейского отделения Ford за технические достижения: за разработку технологии по переработке асбеста и арамида