《International Journal of Cosmetic Science》：Use of single fibre fatiguing experiments to understand breakage in textured hair Part I
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目的：本系列先前的文献已阐明，单纤维疲劳测试（single fibre fatigue testing）如何促使研究人员以与传统拉伸测试方法所建议的截然不同的方式看待头发断裂。本文采用这一较新的方法，研究极卷曲的纹理头发（textured hair）中的断裂问
目的：本系列先前的文献已阐明，单纤维疲劳测试（single fibre fatigue testing）如何促使研究人员以与传统拉伸测试方法所建议的截然不同的方式看待头发断裂。本文采用这一较新的方法，研究极卷曲的纹理头发（textured hair）中的断裂问题——该发质中，断裂通常被列为与头发相关的最大单一问题。
方法：采用单纤维疲劳测试，以深入了解白种人头发（Caucasian hair）与纹理头发在断裂倾向上的巨大差异。
结果：研究结果揭示了导致纹理头发高断裂率的三个不同重要因素之间的相互关联效应。首先，在疲劳条件下，纹理头发相对于顺直的白种人头发更易断裂，其程度远超标准拉伸实验中所观察到的差异。其次，该发质还可能表现出很高的过早失效（premature failure）倾向——即某些纤维在极少的疲劳循环次数下便发生断裂。最后，研究显示了由显著更高的梳理力（grooming forces）所产生的更高疲劳作用力，如何导致断裂呈指数级加速。
结论：所述三个因素各自对纹理头发较高的断裂倾向均产生重要贡献；但三者共同作用时，其预后是严重的。据此，研究人员的工作为这一公认的消费者问题提供了简单的解释。
**论文解读：单纤维疲劳实验揭示纹理头发断裂机制**
**一、研究背景与问题**
传统上，头发断裂研究依赖于恒定速率拉伸实验，通过单根纤维拉伸至断裂来测量“强度”。然而，该方法所展现的不同样品间的差异往往较小，难以解释消费者实际感知到的严重断裂问题。此前系列研究表明，单纤维疲劳测试能够揭示比传统拉伸测试大得多的样品间差异，更贴合消费者报告的问题严重性。纹理头发，即极卷曲的头发，其中断裂常被列为最突出的头发相关问题。Bryant等人（2012）已将断裂列为非洲裔女性最大的头发问题。传统拉伸实验显示纹理头发与白种人头发的断裂应力差异不大，不足以解释其高断裂率。因此，研究人员采用单纤维疲劳测试，系统研究纹理头发的断裂行为及其影响因素。
**二、研究内容与结论**
研究人员获取了单一来源的未经处理纹理头发样本（来自International Hair Importers，L'Oreal卷曲度VII型，标记“Bag 11”），并与同一供应商的白种人混合发束进行对比。通过恒定载荷和恒定应力两种疲劳实验，结合S–N曲线、韦布尔分布分析和断裂概率图，研究了纹理头发与白种人头发的断裂差异，并评估了化学松弛处理、相对湿度、增塑剂及提高模量处理的影响。研究发现三个相互关联的因素导致纹理头发高断裂率：一是在疲劳条件下纹理头发的断裂倾向远大于白种人头发；二是纹理头发具有显著的过早失效倾向；三是其相关梳理力更高，导致疲劳应力更高，从而指数级加速断裂。这些发现为消费者感知的纹理头发易断问题提供了简单的物理解释，并提示通过降低梳理力或调整纤维力学性能可干预断裂过程。
**三、关键技术与方法**
研究采用单纤维疲劳测试装置（Diastron CYC801，含四个测试头）。疲劳实验分为恒定载荷（constant load）与恒定应力（constant stress）两种模式：前者生成S–N曲线，后者分析断裂周期的统计分布。纤维尺寸由Dia-stron 680微型拉伸测试仪激光测微计测量，并用于传统拉伸测试。恒定应力实验在60%RH、115 MPa重复应力、40 mm/s延伸速率下进行，最大循环数为1,000,000。使用动态蒸气吸附（dynamic vapour sorption，DVS）获取吸附等温线。样本包括单一来源未处理纹理头发（国际头发进口商，L'Oreal卷曲度VII型，标记“Bag 11”）及同一供应商提供的白种人混合发束。
**四、研究结果**
**比较纹理头发与白种人头发的拉伸与疲劳结果**：传统拉伸实验显示纹理头发断裂应力略低于白种人，差异较小。S–N曲线显示，在相同重复应力下，纹理头发的平均疲劳寿命比白种人低约90%。曲线斜率表明，应力增加10%可使平均循环数从9680降至3850（约60%）；增加20%则降至1530（84%）。这揭示高梳理力导致的更高应力会指数级加速断裂。此外，相当数量的纹理头发纤维在少于100甚至10次循环即失效，即过早失效。
**恒定应力实验**：在115 MPa重复应力下，纹理头发的断裂分布显著左偏，超过50%的纤维在10,000循环内断裂，而白种人仅约25%。韦布尔分析得到纹理头发的特征寿命（α）较低、形状参数（β）较低，显示更明显的过早失效倾向。断裂概率图显示，在500循环时纹理头发断裂概率约13%，白种人约2.5%，即高出4倍以上。
**传统拉伸实验中过早失效的迹象**：传统拉伸实验的断裂延伸率直方图中，纹理头发呈双峰分布，小部分纤维在0%–20%延伸率范围断裂；11%的纹理头发纤维在25%–35%范围断裂，而白种人几乎为零。这表明过早失效的信息也潜伏在传统拉伸数据中。
**外部因素对断裂倾向的影响**：商业松弛剂处理后的纹理头发S–N曲线进一步下移，相同应力下循环次数减少约两个数量级。但松弛处理可大幅降低梳理力，从而可能减少实际断裂。模拟显示，若梳理力降低70%，松弛头发的疲劳寿命可达约15,000循环。
**相对湿度对断裂倾向的影响**：随相对湿度（RH）从30%升至90%，特征寿命从107,000降至800，形状参数从0.39升至0.70。原因在于湿度增加降低杨氏模量（Young's modulus），纤维更易变形，缺陷扩展更快。500循环断裂概率随湿度增加呈指数上升。10%甘油浸泡使疲劳寿命减少约50%，提示免洗产品中应避免增塑成分。
**提高头发模量及其对断裂的影响**：用5%马来酸或5%氯间苯二酚处理可降低头发水含量并提高模量。马来酸使模量增加约10%，特征寿命翻倍；氯间苯二酚使模量增加约13%，特征寿命几乎三倍，但形状参数降至0.38，导致在低循环次数下断裂概率反而翻倍。这说明仅关注特征寿命可能不够，需同时考虑形状参数。
**五、讨论与结论**
研究人员指出，断裂不仅取决于缺陷（flaw）的存在，还取决于缺陷扩展速率。高梳理力、低模量、高湿度均会加速缺陷扩展。通过降低梳理力（如使用护发素）或提高纤维模量（如降低水含量）可干预断裂过程，但提高模量可能导致脆性增加，需权衡。该系列的第二部分将分析来自美国及南非多位受试者的纹理头发样本。
结论：纹理头发的高断裂问题通过单纤维疲劳实验得到了深入理解。研究辨识出三个主要因素：疲劳条件下更低的耐久性、显著更高的过早失效倾向，以及高梳理力导致的指数级更快的断裂。三者共同构成了“完美风暴”。这种脆弱性源于高卷曲、扭转和椭圆截面导致的更高缺陷密度。疲劳断裂还受缺陷扩展速率控制，而扩展速率受应力大小和纤维力学性能影响。因此，头发松弛处理虽削弱单根纤维，但能通过降低梳理力减少消费者感知的断裂。研究也表明，通过调整纤维模量可改变断裂行为，但需注意形状参数的变化。该系列后续工作将扩大样本来源，进一步验证这些发现。
