毛发的形态结构及其拉伸性能

周笑辉,汪 静,刘 伟,迟建卫,姜兰钰,刘 鑫

(大连海洋大学理学院,辽宁大连116023)

1 引 言

毛发作为哺乳动物所特有的皮肤衍生物,是由表皮的上皮滤泡状凹陷部分的基质细胞发育而成.毛发的微观结构主要是指毛纤维同心结构中的鳞片、皮质和髓质的微观结构[1].1920年,美国的 Hausman[2]发表了兽类被毛的微观特点,首次指出毛发的微观结构存在着种间差异性,有分类意义.20世纪80年代,关于毛发的微观结构的扫描电镜鉴定方法进一步完善,研究者比较系统地提出了毛发微观结构与遗传和环境的关系,将毛发研究引入了功能形态学领域[3].

毛发鳞片下的皮质层是毛发纤维的主要组成部分,决定着毛发的主要物理、机械和化学性能(如细度、长度、断裂伸长、强度、弹性等)[4].毛发表面不同形态的鳞片结构对于其皮质层的保护程度存在差别,进而影响其拉伸性能.

毛发受力拉伸时,会产生3种形变[5].当外力加到毛发上时,3种形变同时进行.一部分属于弹性形变,它是由于肽链大分子键长、键角微量变化所形成的;另一部分属于缓弹形变,它与肚链的内旋转有关,与高能量级氢键的解除及二硫键的拆散有关;还有一部分形变属于塑性形变,塑性形变是在外力作用下纤维大分子或大分子链段发生了不可逆的移动(即分子间产生相对滑移).本文总结了不同毛发的形态结构,同时测定不同毛发的拉伸性能,分析毛发表面结构与拉伸性能的关系.

2 毛发的形态结构比较

实验选取了人、马、猫、狗、兔、羊、狐狸7种实验毛发样本.由于动物毛发具有种间差异性,因此本实验选用的毛发样品均采样于同一动物个体的同一部位.根据表面形态结构,将其分为鳞状、波状、芽状和指状4类.

2.1 鳞状结构

人发、马尾等毛发表面结构形似鳞片[6](图1),称为鳞状结构.它们通常具有比较清晰的界限轮廓,鳞片的大小及分布规则性不强.鳞片单元的轴向间距较大,鳞片之间排列紧密.

图1 鳞状结构毛发形貌

2.2 波状结构

猫、狗等动物的毛发的表面结构具有波纹状[6](图2).波状鳞片宽度横绕毛干全周,每一波状单元轴向间距较小,波形不十分规则.猫毛的波纹鳞片之间存在较小的沟槽.

图2 波状结构毛发形貌

2.3 芽状结构

羊毛、兔毛表面具有芽孢状鳞片,称为芽状结构[6](图3).沿周长方向芽状鳞片分布数目为2～3个.芽孢鳞片的轴向间距较大,鳞片没有明显的尖峰,且尖部与底部宽度变化较缓,芽孢鳞片之间存在空隙.

图3 芽状结构毛发形貌

2.4 指状结构

狐狸毛发表面具有明显的指状结构[6](图4).指状鳞片呈尖顶等腰三角形状,每一指状鳞片长度约40μm,底部宽度约为10μm,排列方式为两排间错开.指状鳞片结构之间排列松散.

图4 指状结构毛发形貌

3 拉伸性能实验

3.1 毛发直径的测量

毛发直径直接影响到杨氏弹性模量与抗拉强度.本文利用等厚干涉法测量毛发直径,该方法测量结果精确,操作简便.实验利用的仪器包括移测显微镜、钠光灯等.

等厚干涉法测量毛发直径原理如图5所示.毛发直径可表示为

上式中N为视场内暗条纹的数目,d为毛发丝的直径,a为两相邻暗条纹的间距,λ/2为两相邻暗条纹对应的空气层厚度差.实验中测量暗条纹的数目 N,再用式(1)计算出毛发的直径.每种结构的毛发取5根进行测量,每根毛发测量5次后取平均值.

图5 等厚干涉法测定毛发直径

3.2 伸长率的测定

毛发纤维普遍具有极强的拉伸强度,伸长率为毛发受力拉伸的伸长量与毛发原长的比值,毛发的伸长率在很大程度上反映了毛发的拉伸强度.本实验分别测量了毛发的弹性伸长率和断裂伸长率.前者为毛发受力拉伸发生最大弹性形变时的伸长量与原长的比值;后者为毛发受力拉伸发生断裂时的伸长量与原长的比值.由于某些毛发较短,伸长量ΔL不易测出,因此本文采用光杆杆放大原理解决该问题(图6).

当毛发没有伸长时,平面镜垂直于平台,从标尺 r0处发出的光线经平面镜反射进入望远镜中,并与望远镜中的叉丝横线对准.当加上砝码后,毛发受力而伸长ΔL,光杠杆足尖也随之向下移动ΔL.这样,平面镜以前足为支点,转过一角度α,镜面的法线也由水平位置转过α角.由光的反射定律可知,这时从标尺 r1处发出的光线(与水平线夹角为2α)经平面镜反射进入望远镜中,并与叉丝横线对准,望远镜中2次读数之差l=|r1-r0|,由图7可得,

图6 利用光杠杆测量伸长量

K为光杠杆后足尖到两前足尖连线之间垂直距离,D为标尺与平面镜之间的距离,实际测量过程中 ,α很小 ,所以

消去α,得

这样,通过平面镜的旋转和反射光线的变化就把微小位移ΔL转化为容易观测的位移l,进而实现伸长率的测量.实验中通过标尺读取l,再用式(2)计算毛发的伸长量.伸长量与毛发原长的比值即为伸长率.每种结构的毛发选取10根,分别测量其弹性伸长率与断裂伸长率,得出其伸长率区间.

图7 光杠杆法测定拉伸性能装置图

3.3 鳞状毛发杨氏模量的测定

杨氏模量是表征在弹性限度内物质材料抗拉或抗压的物理量,它是沿纵向的弹性模量.杨氏模量与外力 F、物体的长度L和截面积S的大小无关,而只决定于物体的材料[7].

本实验中杨氏模量可表示为

式中:F为毛发所受拉力,L为毛发的测量长度,k为光杠杆后足尖到两前足尖连线之间垂直距离,D为标尺与平面镜之间的距离,d为毛发的直径.实验利用光杆杆法测量毛发形变的微小伸长量,以逐差法来处理测量数据.人发与马尾各选取10根进行测量后取平均值.

4 结果与讨论

利用等厚干涉法测量的毛发直径结果如表1所示.鳞状结构的马尾、人发直径远大于其他毛发的直径;波状结构毛发直径大于指状与芽状结构的毛发.根据毛发的形态结构比较,直径较大的毛发表面鳞片排列紧凑,重叠程度高,鳞片之间没有太大的空隙.而毛发的粗壮程度从根本上决定毛发的拉伸性能.

表1 不同结构类型毛发的直径

不同结构的毛发具有不同的弹性伸长率和断裂伸长率(表2).实验结果表明,无论是弹性伸长率还是断裂伸长率,鳞状结构毛发都为最佳,其次分别为芽状结构毛发、波状结构毛发和指状结构毛发.其中鳞状结构的人发和马尾伸长率极佳.

基于人发与马尾优良的弹性拉伸率,本文进一步对其杨氏弹性模量进行测量,测量结果如表3所示.测量结果表明,人发与马尾的杨氏模量较大,抗拉性能优异.相比较而言,人发的弹性模量更大,拉伸性能更加优异.

根据实验结果可初步分析出毛发的拉伸性能与其鳞片的形态结构有一定关系.毛发内部的皮质层决定了毛发的拉伸性能,不同形态结构的鳞片对于皮质层的包裹与保护程度不同.鳞状结构鳞片结构紧密地包裹在皮质层外部,增加了毛发纤维的弹性与抗拉强度;芽状结构鳞片在受到拉伸力时,其芽孢状鳞片会紧密闭合,鳞片间的空隙消失,进而包裹住皮质层;而波状结构和指状结构鳞片由于鳞片之间排列松散,因此在拉伸时不会紧密包裹皮质层,对皮质层的保护有限.

表2 不同结构类型毛发的伸长率区间

表3 鳞状结构毛发的杨氏弹性模量

5 结束语

本文测量了几种毛发的直径、伸长率及杨氏模量等拉伸性能,结合其不同的形态结构进行了分析.实验结果表明,毛发的形态结构对其拉伸性能存在着影响,鳞状结构毛发的拉伸性能为最佳.本文所利用的实验仪器与实验方法常见于大学物理实验,因此适合在实验教学中将本题目作为研究性实验项目开设,使学生在学习中体会到将所学大学物理技术与知识应用于生物学科中的乐趣,激发了学生学习积极性,提高学生分析问题、解决问题的能力.

[1] Thomas S.Determination of hair structure and shape[J].Seminars in Cell&Developmental Biology,2007,18:267-273.

[2] Hausman.Structural characteristicsof hair of mammals[J].American Naturalist,1920,54:496-523.

[3] 张伟,徐艳春.毛发微观结构研究的回顾与展望[J].兽类学报,2003,23(4):339-343.

[4] 林琳.人发拉伸改性——兼羊毛拉伸改性的相关问题[D].上海:东华大学,2003.

[5] 孔繁超,吕淑霖,袁柏耕.毛织物染整理论与实践[M].北京:纺织工业出版社,1990.

[6] 杨晓东,任露泉.动物毛发的形态结构及其功能特性研究[J].农业工程学报,2002,18(2):21-23.

[7] 徐庆军,刘伟,贾国治,等.金属丝的杨氏模量测定实验的改进[J].物理实验,2007,27(9):40-41.