Analizzare le proprietà fisico meccaniche dei capelli con i dinamometri è un’opportunità estremamente utile in vari settori merceologici e scientifici. Negli ultimi anni è stato possibile ampliare le conoscenze grazie alla tecnologia che ha permesso di indagarne le caratteristiche molecolari ed il loro comportamento fisico meccanico.
I capelli umani sono sorprendentemente forti. Responsabile di questa proprietà è una proteina chiamata cheratina della corteccia, una molecola di poliammide le cui lunghe catene vengono compresse fino a formare una struttura regolare che, oltre a conferire ai capelli forza e rigidità, li rende flessibili.
Le proprietà fisiche e meccaniche delle fibre capillari sono direttamente correlate al diametro delle fibre e dipendono dalla loro geometria. Nei capelli caucasici, ad esempio, sono ovali mentre in quelli asiatici sono circolari, nei capelli afro invece sono ellittici. I filamenti poi presentano notevoli differenze strutturali a seconda dell’etnia con leggere differenze anche all’interno dello stesso gruppo. Queste proprietà sono legate alle caratteristiche delle fibre e possono modificarsi in base agli attributi dei cosmetici utilizzati.
Analizzare le proprietà fisico meccaniche dei capelli con i dinamometri può quindi consentire di migliorare quei prodotti che ne influenzano l’elasticità, la levigatezza, il volume, la lucentezza e la morbidezza attraverso analisi scientifiche comparative misurando in modo oggettivo la resistenza allo stiramento, l’elasticità ed il potere idrofilo delle fibre capillari.
È possibile realizzare molteplici tipologie di prove sui capelli, dai test di trazione del filo singolo fino alla misura della pettinabilità delle ciocche di capelli. Elenchiamo di seguito i vari test che è possibile realizzare con i sistemi di prova IMADA per lo studio dei materiali.
Test di resistenza allo stiramento
In generale, il carico necessario per produrre una rottura naturale del filo del capello è di 50-100 g. La resistenza alla rottura è funzione del diametro del filo, dello stato della corteccia, ed è influenzata negativamente dai trattamenti chimici.
Realizzare questo test è molto semplice. Basta un semplice banco di prova corredato da un dinamometro molto sensibile, uno stativo motorizzato ed una coppia di morsetti specifici per afferrare il capello. Il software base realizzerà anche la curva Forza/Tempo e mostrerà il carico di rottura.
Test per misurare l’elasticità dei capelli
La fibra capillare ha una caratteristica elastica e può subire uno stiramento moderato, sia bagnata che asciutta. L’allungamento è un attributo del capello sotto l’azione di una forza distale (lunghezza). Il filo ritorna allo stato originale quando questa forza smette di agire.
Quando è asciutto, il filo del capello può allungarsi del 20-30% della sua lunghezza mentre a contatto con l’acqua può arrivare fino al 50%. A contatto con l’ammoniaca diventa ancora più elastico. Trattamenti chimico-fisici, esposizione solare, utilizzo di asciugatrici elettriche e piastre riscaldanti influiscono su questa proprietà. Risulta evidente, quindi, che la forza dei capelli dipenderà in larga misura dalla natura dei legami intermolecolari: più i capelli sono rigidi, maggiore sarà la loro resistenza alla trazione. I capelli sono incredibilmente forti e hanno anche proprietà elastiche. Può allungarsi fino al 20% della sua lunghezza originale prima di rompersi quando è asciutto e quando è bagnato può allungarsi fino al 50% prima di rompersi.
Allora come si spezzano i capelli se sono così forti?
Dipende dalla velocità con cui la forza di trazione viene applicata ai capelli. Se i capelli vengono tirati lentamente e in modo costante con una forza crescente, resisteranno per un bel po’ di tempo prima di rompersi. Ma se viene applicata una forza improvvisa, si romperà.
Se la resistenza alla trazione dei capelli è ridotta, i capelli non hanno il tempo di reagire e allungarsi, la forza viene distribuita su tutta la lunghezza della fibra capillare e i capelli semplicemente si spezzano. Quindi, nonostante l’apparente forza dei capelli, si spezzeranno se spazzolati o pettinati troppo vigorosamente perché questo applica una forza improvvisa ai capelli. Abbiamo visto che la forza dei capelli viene valutata mediante un semplice test di trazione. Utilizzando stativi che permettono di misurare anche la distanza, oltre al carico massimo è possibile ottenere la distanza alla rottura (Break point distance) e la percentuale di allungamento (Elongation rate %).
Vediamo più in dettaglio alcuni aspetti teorici applicati alle prove di trazione.
Una prova di trazione è semplice da realizzare. Tirando qualcosa, è possibile determinare molto rapidamente come il materiale reagirà alle forze applicate in tensione. Man mano che il materiale viene tirato è possibile trovare la sua forza e quanto si allungherà. Continuando la trazione fino alla rottura del materiale, si ottiene un profilo di trazione completo. Una curva descrive come il materiale ha reagito alle forze applicate. Il punto di cedimento è di grande interesse ed è tipicamente chiamato “Ultimate Tensile Strength” o UTS rappresentato nella figura successiva.
Per la maggior parte delle prove di trazione sui materiali, nella parte iniziale della prova, la relazione tra la forza applicata e l’allungamento mostrato dal provino è lineare. In questa regione lineare, la linea obbedisce alla relazione definita come “Legge di Hooke” dove il rapporto tra stress e deformazione è una costante, o σ/ ε = E, dove E è la pendenza della linea in questa regione dove lo stress (σ) è proporzionale alla deformazione (ε) ed è chiamato “Modulo di elasticità” (Young modulus).
Il modulo di elasticità è una misura della rigidità del materiale, ma si applica solo nella regione lineare della curva. Se un provino viene caricato all’interno di questa regione lineare, il materiale tornerà alle stesse condizioni se il carico viene rimosso.
Nel momento in cui la curva non è più lineare e devia dalla relazione rettilinea, la legge di Hooke non si applica più e nel campione si verifica una deformazione permanente. Questo punto è chiamato “limite elastico o proporzionale” (Yield point). Da questo punto in poi nella prova di trazione, il materiale reagisce plasticamente a qualsiasi ulteriore aumento del carico o della sollecitazione. Non tornerà alla sua condizione originale e non sollecitata se il carico viene rimosso.
Un valore chiamato “resistenza allo snervamento” (Yield strength) di un materiale è definito come lo stress applicato al materiale al quale inizia a verificarsi la deformazione plastica mentre il materiale viene caricato.
La quantità di allungamento o allungamento subito dal provino durante la prova di trazione può essere espressa come misura assoluta nella variazione di lunghezza o come misura relativa chiamata “deformazione” (Strain).
Lo strumento utilizzato per testare la resistenza alla trazione è un tensile tester che trazionerà a velocità costante il provino – serrato tra due morse – allungandolo finché non si fratturerà. Lo stress massimo che sopporta prima di fratturarsi è la sua resistenza alla trazione finale “ultimate tensile strength”.
La resistenza alla trazione è definita come Stress, che viene misurata come forza per unità di area.
Diversi anni fa le prove sui capelli venivano realizzate con sistemi di misura semplici.
Oggi, analizzare le proprietà fisico meccaniche dei capelli con i dinamometri, è ancora più facile grazie ai progressi fatti in uni questi anni di esperienza. Per poter analizzare in modo approfondito le caratteristiche dei prodotti cosmetici applicabili ai capelli sono finalmente disponibili a catalogo sistemi evoluti che consentono di ottenere con estrema precisione dati oggettivi e ripetibili per condurre prove di trazione a rottura, prove di flessione delle ciocche di capelli, prove di compressione sui ricci fino a misurare il coefficiente di scivolosità (attrito) dei capelli.
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