高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)毛發(fā)染色效果的影響

李林葳, 姬亞航, 裴瑋, 杜羿翰, 宋艷波, 常奇, 王伸, 劉振宇,4*

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院, 晉中 030801; 2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院, 晉中 030801;3.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 晉中 030801; 4.旱作農(nóng)業(yè)機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)與裝備山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 晉中 030801)

毛發(fā)染色是指通過(guò)染色劑改變?nèi)恕?dòng)物蛋白質(zhì)類纖維顏色的技術(shù)手段,在紡織、服裝制造、美容美發(fā)等行業(yè)有著廣泛應(yīng)用,2020行業(yè)的市場(chǎng)價(jià)值約為300億美元,預(yù)計(jì)到2025年將達(dá)到約420億美元[1],市場(chǎng)前景廣闊。

目前染色以植物和化學(xué)染色工藝為主,但該方法有上染率低、上染慢、著色效果不顯著等現(xiàn)象,因此研究人員通過(guò)多種方式進(jìn)行著色效果研究。張瑞文等[2]基于中國(guó)傳統(tǒng)的染色工藝,加入自制的生物酶染色助劑,將染色時(shí)間減少1/3。何盛等[3]將高壓染色工藝應(yīng)用于裝飾單板染色過(guò)程,表明高壓染色工藝可提高裝飾單板染色效率,降低生產(chǎn)成本,提升染色裝飾單板的出材率。程茹等[4]使用響應(yīng)面法優(yōu)化羊毛染色,通過(guò)掃面電鏡圖對(duì)比分析羊毛染色前后形貌變化,得出羊毛染色的最佳工藝參數(shù)。楊慧伶[5]將羊毛織物用等離子體處理后,染成黑色與特黑色兩種顏色,試驗(yàn)結(jié)果表明：等離子體處理對(duì)羊毛織物表觀顏色深度有顯而易見(jiàn)的促進(jìn)作用,黑色和特黑的K/S(K/S為色料吸收系數(shù)K與色料散射系數(shù)S的比值,表示固體試樣表面顏色深淺程度,即有色物質(zhì)濃度的高低。K/S越大,意味著染料染色性能越好)可分別提高5.67%、24.67%。高壓脈沖電場(chǎng)(high pulsed electric fields,HPEF)是一種可有效促進(jìn)蛋白質(zhì)的活性的非熱處理技術(shù),蛋白質(zhì)的極性基團(tuán)吸收了脈沖電場(chǎng)的能量,進(jìn)而產(chǎn)生自由基或發(fā)生聚集現(xiàn)象,導(dǎo)致蛋白質(zhì)解折疊,最終導(dǎo)致蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)與功能特性發(fā)生變化,因此使用脈沖電場(chǎng)技術(shù)[6-9]進(jìn)行的誘導(dǎo)蛋白質(zhì)改性,也是當(dāng)今對(duì)蛋白質(zhì)改性技術(shù)的熱門(mén)研究領(lǐng)域。Singh等[10]研究了脈沖電場(chǎng)對(duì)蛋白質(zhì)的影響,脈沖電場(chǎng)的強(qiáng)度越高,越會(huì)影響大豆蛋白分子構(gòu)象,增大了溶劑的接觸面積。Zhao等[11]研究表明,大豆分離蛋白和蛋清蛋白會(huì)由于脈沖強(qiáng)度的增加以及處理時(shí)間的延長(zhǎng)發(fā)生變性和聚集的現(xiàn)象。Su等[12]研究表明,通過(guò)將脈沖電場(chǎng)與糖基化技術(shù)相結(jié)合,對(duì)乳清分離蛋白進(jìn)行相應(yīng)的處理,通過(guò)脈沖電場(chǎng)的高強(qiáng)度作用,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)乳清分離蛋白的溶解度的提高。胡娟[13]研究發(fā)現(xiàn),脈沖電場(chǎng)提高了蛋白乳化液的乳化活性和乳化穩(wěn)定性,為脈沖電場(chǎng)技術(shù)改性肌原纖維蛋白提供了理論依據(jù)。

綜上可知,染色效果技術(shù)應(yīng)用和脈沖電場(chǎng)對(duì)蛋白質(zhì)改性的研究較多,但脈沖電場(chǎng)技術(shù)對(duì)蛋白類纖維為主的毛發(fā)染色著色效果的影響研究較少。為此,以人的頭發(fā)作為研究對(duì)象,采用等響應(yīng)面試驗(yàn)法[14-16],利用不同脈沖電壓,脈沖寬度,脈沖個(gè)數(shù)處理頭發(fā)和染發(fā)劑,探索高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)毛發(fā)染色后著色效果和響應(yīng)機(jī)理,并獲得脈沖電場(chǎng)處理的最佳工藝化參數(shù),從而通過(guò)增強(qiáng)毛發(fā)染色的著色效果而減少處理時(shí)間,從而降低對(duì)生物個(gè)體健康以及毛發(fā)質(zhì)量的損傷。研究成果對(duì)提高染色工藝效率、降低生產(chǎn)成本具有實(shí)際意義,同時(shí)對(duì)保護(hù)個(gè)體健康、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展也具有重要的科學(xué)價(jià)值。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

1.1.1 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

脈沖電場(chǎng)發(fā)生器(ECM830)能夠輸出單極矩形波,可將參數(shù)調(diào)整：脈沖強(qiáng)度250～3 000 V,作用時(shí)間為10 μs～10 s,脈沖間隔為100 ms～10 s,脈沖數(shù)為1～99個(gè);電極處理室由20 mm×20 mm兩塊方形不銹鋼平板組成,間距可調(diào),由美國(guó)BTX公司生產(chǎn);百分之一的電子天平,由西杰天平(北京)儀器有限公司生產(chǎn)。高壓脈沖處理裝置的示意圖如圖1所示。

圖1 脈沖電場(chǎng)處理系統(tǒng)示意圖

1.1.2 試驗(yàn)試劑

(1)頭發(fā)。將年齡段為18～25歲成年人頭發(fā)截取3～4 cm混合打散,使用漂白劑對(duì)其進(jìn)行漂白處理,每份頭發(fā)選取量在10～15根,共準(zhǔn)備120份備用。

(2)染發(fā)劑。選用植物芳香潮蠟染發(fā)劑,每份染發(fā)劑用醫(yī)用注射器針管精確取量1.8 mL,并用塑料薄膜包裹,共準(zhǔn)備120份備用。

1.2 試驗(yàn)方案

頭發(fā)置于電極處理室的方形不銹鋼平板上,染發(fā)劑用塑料薄膜包裹置于脈沖裝置的電極之間,采用響應(yīng)面設(shè)計(jì)法,分別設(shè)置不同的電場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖寬度、脈沖個(gè)數(shù)參數(shù)對(duì)每份頭發(fā)和染發(fā)劑進(jìn)行處理,處理總時(shí)長(zhǎng)均為10 s。

空白對(duì)照為均未被脈沖處理的頭發(fā)和染發(fā)劑的染色情況,將樣本分為3組：均經(jīng)過(guò)脈沖電場(chǎng)處理的染發(fā)劑和頭發(fā)、經(jīng)過(guò)脈沖電場(chǎng)處理的染發(fā)劑和未經(jīng)過(guò)電場(chǎng)處理的頭發(fā)、經(jīng)過(guò)脈沖電場(chǎng)處理的頭發(fā)和未經(jīng)過(guò)電場(chǎng)處理的染發(fā)劑,電場(chǎng)處理試樣后對(duì)處理組分別進(jìn)行染色。染色具體過(guò)程為：①取1份染發(fā)劑均勻涂抹在漂白后的頭發(fā)表面;②靜置30 min;③用清水活水沖洗,直至不再有視覺(jué)可見(jiàn)的染發(fā)劑隨清水流出。

染色完成后,將染發(fā)后的試樣進(jìn)行置于黑箱以屏蔽外界干擾,白色光源內(nèi)置于黑箱中部,使用佳能EOC 800D18-55數(shù)碼相機(jī)距離試樣5 cm處進(jìn)行拍照。使用Photoshop軟件隨機(jī)提取圖片中所拍頭發(fā)的50個(gè)像素點(diǎn)的RGB(red green blue)模型中的R(紅色通道值)、G(綠色通道值)和B(藍(lán)色通道值),并求各自平均值作為最終著色參數(shù)值。最后使用Design Expert軟件對(duì)其進(jìn)行響應(yīng)面回歸,按測(cè)定結(jié)果計(jì)算并找出最優(yōu)解。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 單因素試驗(yàn)

在不改變其他因素(溫度、流量、導(dǎo)電性等)的情況下,將高電壓的脈沖參量電場(chǎng)、脈沖寬度、脈沖個(gè)數(shù)分別調(diào)節(jié)到250～3 000 V/mm、10～300 μs、5～99個(gè)以分別研究單個(gè)高壓脈沖電場(chǎng)參數(shù)(電場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖寬度、脈沖個(gè)數(shù))對(duì)染發(fā)著色效果的影響。

1.3.2 交叉因素試驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,將脈沖電場(chǎng)縮短為250～2 000 V/mm。脈沖寬度縮短為50～300 μs,脈沖個(gè)數(shù)為5～99個(gè),3個(gè)參數(shù)兩兩組合進(jìn)行交叉因素試驗(yàn),以研究?jī)蓚€(gè)參數(shù)對(duì)染色效果的影響。

1.3.3 響應(yīng)面試驗(yàn)

在交叉因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用Box-Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)[17]建立模型,將電場(chǎng)強(qiáng)度(X1)、脈沖寬度(X2)及脈沖個(gè)數(shù)(X3)設(shè)置為3因素結(jié)合5水平響應(yīng)面分析試驗(yàn),以RGB參數(shù)值作為指標(biāo),優(yōu)化染色效果的最佳條件。具體編碼方式如表1所示。

表1 因素水平Table 1 Factor levels

2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果分析

單因素試驗(yàn)結(jié)果顯示,電場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖個(gè)數(shù)、脈沖寬度對(duì)RGB參數(shù)中的R和G影響不明顯,對(duì)B影響顯著。通過(guò)等響應(yīng)面設(shè)計(jì)法對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行分析,3個(gè)參數(shù)顯著影響B(tài)的作用范圍分別是：電場(chǎng)強(qiáng)度1 100～1 300 V/mm、脈沖寬度100～175 μs、脈沖個(gè)數(shù)50～80個(gè)。

將染發(fā)劑和頭發(fā)的染色的B參數(shù)值(YB1為脈沖電場(chǎng)同時(shí)處理染發(fā)劑和頭發(fā)、YB2為脈沖電場(chǎng)處理染發(fā)劑而未經(jīng)過(guò)電磁場(chǎng)處理的頭發(fā)、YB3為脈沖電場(chǎng)處理后的頭發(fā)未經(jīng)過(guò)過(guò)電磁場(chǎng)處理的染發(fā)劑)作為響應(yīng)值,建立3因素3水平響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì),共計(jì)17組,試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

采用Design Expert12對(duì)表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸方程的擬合,得到的回歸方程為

(1)

(2)

(3)

對(duì)式(1)～式(3)進(jìn)行方差分析得到結(jié)果如表3所示,可以看出,式(1)的決定系數(shù)R2為0.916 7,式(2)和式(3)的R2分別為0.862 9和0.793 7,即式(2)和式(3)擬合效果不理想,表現(xiàn)效果不顯著,因此接下來(lái)對(duì)式(1)展開(kāi)詳細(xì)分析。

表3 方程相關(guān)系數(shù)Table 3 Equation correlation coefficient

表4 響應(yīng)面回歸方程的方差分析Table 4 Analysis of variance of the response surface regression equation

從表4可以看出,式(1)對(duì)應(yīng)的模型中,F=8.56,P=0.004 9,得出該模型顯著;失擬項(xiàng)中,P=0.277,遠(yuǎn)大于0.05,得出失擬項(xiàng)不顯著,即該模型與試驗(yàn)值差異較小,未知量對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾很小。式(1)的R2=0.916 7,表明該模型擬合程度較好,實(shí)驗(yàn)誤差較小。通過(guò)F值可以得到各個(gè)因素對(duì)結(jié)果的影響的優(yōu)先程度為：X3(脈沖個(gè)數(shù))>X2(脈沖寬度)>X1(電場(chǎng)強(qiáng)度)。

2.2 響應(yīng)面測(cè)試結(jié)果

為研究3個(gè)變量因素彼此間的相互作用機(jī)理,使用Design-Expert12軟件來(lái)繪圖,從而對(duì)各變量對(duì)響應(yīng)值的影響進(jìn)行分析,通過(guò)等高線形狀可以對(duì)交互效應(yīng)的強(qiáng)弱進(jìn)行探討,而曲線圖的陡峭幅度可表明各因素的影響程度大小主次關(guān)系。

2.2.1 高壓脈沖電場(chǎng)處理頭發(fā)

只對(duì)頭發(fā)進(jìn)行高壓脈沖電場(chǎng)處理,不對(duì)染發(fā)劑進(jìn)行處理,分別對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖個(gè)數(shù)和脈沖寬度進(jìn)行兩兩組合,以染發(fā)后B參數(shù)為響應(yīng)值進(jìn)行分析,得到響應(yīng)曲面如圖2～圖4所示。

圖2 電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖個(gè)數(shù)對(duì)B參數(shù)影響

電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖個(gè)數(shù)參數(shù)組合對(duì)染色后B參數(shù)的影響如圖2所示,當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度一定時(shí),隨著脈沖個(gè)數(shù)的增加,著色效果逐漸增加;當(dāng)脈沖個(gè)數(shù)一定時(shí),隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加,B參數(shù)值表現(xiàn)為降低的趨勢(shì);根據(jù)對(duì)等高線的形狀和疏密程度進(jìn)行判斷,電場(chǎng)強(qiáng)度X1和脈沖個(gè)數(shù)X3之間的相互作用更為明顯。

電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖寬度參數(shù)組合對(duì)B參數(shù)影響如圖3所示,當(dāng)脈沖寬度一定時(shí),染發(fā)之后B參數(shù)會(huì)隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而降低;當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度一定時(shí),B參數(shù)值會(huì)隨脈沖寬度的增加呈現(xiàn)增加的趨勢(shì);對(duì)等高線的形狀和疏密程度進(jìn)行判斷,電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖寬度之間的相互作用略微顯著。脈沖寬度達(dá)到最大值時(shí),B參數(shù)值將達(dá)到最大。

圖3 電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖寬度對(duì)B參數(shù)影響

脈沖個(gè)數(shù)與脈沖寬度組合對(duì)B參數(shù)影響如圖4所示,脈沖寬度相同,隨著脈沖個(gè)數(shù)的增大,染色效果增大。染色效果值由于脈沖個(gè)數(shù)增加反而導(dǎo)致下降,可能是因?yàn)樵谶^(guò)程中頭發(fā)中的蛋白質(zhì)以離子的形式溶解,但是如果對(duì)提高脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行提高的話則會(huì)對(duì)蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,從而對(duì)頭發(fā)的染色效果產(chǎn)生影響。脈沖個(gè)數(shù)一定時(shí),隨著脈沖寬度的增大,染色效果B參數(shù)值呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。由圖4可知,脈沖寬度和脈沖個(gè)數(shù)交互作用比較顯著。

圖4 脈沖個(gè)數(shù)與脈沖寬度對(duì)B參數(shù)影響

2.2.2 高壓脈沖電場(chǎng)處理染發(fā)劑

只對(duì)染發(fā)劑進(jìn)行高壓脈沖電場(chǎng)處理,不對(duì)頭發(fā)進(jìn)行處理,對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖個(gè)數(shù)和脈沖寬度進(jìn)行兩兩組合,以染色后B參數(shù)(圖像中像素的藍(lán)色分量強(qiáng)度)為響應(yīng)值進(jìn)行分析,得到響應(yīng)曲面如圖5～圖7所示。

圖5 電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖個(gè)數(shù)對(duì)B參數(shù)影響

電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖個(gè)數(shù)參數(shù)組合對(duì)B參數(shù)影響如圖5所示,當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度一定時(shí),藍(lán)色染發(fā)劑效果B參數(shù)值不會(huì)因?yàn)槊}沖個(gè)數(shù)的增加而改變,當(dāng)脈沖個(gè)數(shù)一定時(shí),藍(lán)色染發(fā)劑效果會(huì)隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加,表現(xiàn)為先增加后減少,對(duì)等高線的形狀和疏密程度進(jìn)行判斷,電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖個(gè)數(shù)之間的相互作用比較明顯。

電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖寬度組合對(duì)B參數(shù)影響如圖6所示,當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度一定時(shí),藍(lán)色染發(fā)劑會(huì)隨脈沖寬度的增加,表現(xiàn)為先增加后減少,當(dāng)脈沖寬度一定時(shí),藍(lán)色染發(fā)劑會(huì)隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加,表現(xiàn)為先增加后減少,對(duì)等高線的形狀和疏密程度進(jìn)行判斷,電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖寬度之間的作用極為明顯。

圖6 電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖寬度對(duì)B參數(shù)影響

在圖7中,脈沖數(shù)量和脈寬參數(shù)的結(jié)合對(duì)B參數(shù)的影響是明顯的,在脈寬小于150的情況下,在脈寬不變的時(shí),B參數(shù)隨脈寬的增大而增大;在脈沖個(gè)數(shù)超過(guò)50的情況下,在脈沖寬度不變的時(shí),B參數(shù)隨脈沖數(shù)目的增大而降低。

圖7 脈沖個(gè)數(shù)與脈沖寬度對(duì)B參數(shù)影響

當(dāng)脈沖個(gè)數(shù)不改變時(shí),脈沖寬度在小于150時(shí)為增加的趨勢(shì),在大于150后為減小的趨勢(shì),對(duì)等高線的形狀和疏密程度進(jìn)行判斷,脈沖寬度和脈沖個(gè)數(shù)之間的交互作用略微明顯。

2.2.3 高壓脈沖電場(chǎng)同時(shí)處理頭發(fā)和染發(fā)劑

同時(shí)進(jìn)行脈沖處理頭發(fā)和藍(lán)色染發(fā)劑,分別組合電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖個(gè)數(shù)、電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖寬度、脈沖個(gè)數(shù)與脈沖寬度,以染色后B參數(shù)為響應(yīng)值進(jìn)行分析,得到響應(yīng)曲面如圖8～圖10所示。

電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖個(gè)數(shù)參數(shù)組合對(duì)B參數(shù)影響如圖8所示,當(dāng)脈沖個(gè)數(shù)一定時(shí),染色效果會(huì)隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加,表現(xiàn)為先增加后減少,當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度一定時(shí),隨著脈沖個(gè)數(shù)的增加,染色效果B參數(shù)值保持不變,通過(guò)對(duì)等高線的形狀和疏密程度進(jìn)行判斷,電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖個(gè)數(shù)之間的相互作用較為明顯。

電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖寬度參數(shù)組合對(duì)B參數(shù)影響如圖9所示,當(dāng)脈沖寬度一定時(shí),染色效果會(huì)隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì);當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度一定時(shí),隨著脈沖寬度的增加,染色效果B參數(shù)值基本保持不變,通過(guò)對(duì)等高線的形狀和疏密程度進(jìn)行判斷,電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖寬度之間的交互作用略微明顯。

脈沖個(gè)數(shù)與脈沖寬度參數(shù)組合對(duì)B參數(shù)影響如圖10所示,脈沖個(gè)數(shù)小于50時(shí),當(dāng)脈沖個(gè)數(shù)一定時(shí),B值會(huì)隨著脈沖寬度的增加而減小;脈沖個(gè)數(shù)大于50時(shí),在脈沖數(shù)目一定的情況下,脈沖寬度越大,B值逐漸增大;當(dāng)脈沖寬度一定時(shí),隨著脈沖個(gè)數(shù)的增加,B參數(shù)值保持不變,通過(guò)等高線的形狀和疏密程度可知,脈沖個(gè)數(shù)和脈沖寬度之間的交互作用不顯著。

2.3 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)對(duì)圖2～圖4進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)響應(yīng)面的坡度均較陡,等高線呈現(xiàn)出橢圓形,說(shuō)明電場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖寬度和脈沖個(gè)數(shù)3個(gè)參數(shù)之間的交互作用較為顯著;自然狀態(tài)下的脈沖個(gè)數(shù)與脈沖寬度、電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖寬度的響應(yīng)面無(wú)坡面,則說(shuō)明脈沖個(gè)數(shù)、脈沖寬度和電場(chǎng)強(qiáng)度三者對(duì)頭發(fā)及染發(fā)劑影響不明顯;在只對(duì)頭發(fā)進(jìn)行脈沖電場(chǎng)處理,不處理染發(fā)劑的情況下,電場(chǎng)強(qiáng)度1 350 V/mm,脈沖個(gè)數(shù)75個(gè),脈沖寬度150 μs著色效果最好;由圖5～圖7對(duì)比可知,三維曲面圖的坡面均出現(xiàn)的一定程度的傾斜,并且隨著脈沖個(gè)數(shù)與脈沖寬度、電場(chǎng)強(qiáng)度3個(gè)數(shù)值的變化,其坡度變化越來(lái)越明顯,說(shuō)明脈沖個(gè)數(shù)、脈沖寬度和電場(chǎng)強(qiáng)度三者對(duì)頭發(fā)及染發(fā)劑影響明顯;在只對(duì)染發(fā)劑進(jìn)行脈沖電場(chǎng)處理,不處理頭發(fā)的情況下,電場(chǎng)強(qiáng)度為1 200 V/mm,脈沖個(gè)數(shù)50個(gè),脈沖寬度150 μs著色效果最好;對(duì)比圖8～圖10可知,三幅圖三維曲面圖呈現(xiàn)橢圓形狀,則表明脈沖個(gè)數(shù)與脈沖寬度、電場(chǎng)強(qiáng)度3個(gè)數(shù)值作兩因素交互影響比較顯著;在對(duì)頭發(fā)和藍(lán)色染發(fā)劑都進(jìn)行脈沖的情況下,電場(chǎng)強(qiáng)度1 125 V/mm,脈沖個(gè)數(shù)52個(gè),脈沖寬度175 μs著色效果最好。

由圖2～圖10可知,不同實(shí)驗(yàn)下的兩個(gè)參數(shù)相互作用,會(huì)產(chǎn)生不同的影響效果。對(duì)比圖2、圖7和圖9可以發(fā)現(xiàn),在電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖寬度的同時(shí)作用下,脈沖電場(chǎng)只對(duì)染發(fā)劑進(jìn)行處理的效果比單獨(dú)處理頭發(fā)和同時(shí)處理頭發(fā)和染發(fā)劑的效果更明顯。對(duì)比圖3、圖5和圖8可知,在電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖個(gè)數(shù)的作用下,脈沖電場(chǎng)處理染發(fā)劑的效果和同時(shí)處理頭發(fā)和染發(fā)劑的效果接近,但二者的效果明顯優(yōu)于電場(chǎng)作用頭發(fā)的效果。從圖4、圖6和圖10對(duì)比發(fā)現(xiàn),脈沖個(gè)數(shù)與脈沖寬度的同時(shí)作用下,脈沖電場(chǎng)只對(duì)染發(fā)劑進(jìn)行處理的效果明顯優(yōu)于處理頭發(fā)和同時(shí)處理染發(fā)劑和頭發(fā)的效果。因此針對(duì)不同的參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響效果不同,結(jié)合三者參數(shù)分析可知,在脈沖電場(chǎng)作用下染發(fā)劑的染色效果更明顯。

2.4 作用機(jī)理分析

蛋白質(zhì)是頭發(fā)的主要組成成分[18],蛋白質(zhì)所具有的功能性質(zhì)能夠在一定程度上直接決定頭發(fā)的品質(zhì)。從化學(xué)鍵能的角度來(lái)看,在高壓脈沖電場(chǎng)中,蛋白質(zhì)具有的極性基團(tuán)會(huì)吸收電場(chǎng)的能量,從而形成了自由基,并引起大量聚集,這些自由基會(huì)對(duì)蛋白質(zhì)之間的相互作用造成破壞(例如范德華力,靜電,疏水,氫鍵等),進(jìn)一步影響到蛋白的結(jié)構(gòu)和功能性質(zhì)。

在對(duì)藍(lán)色染發(fā)劑進(jìn)行處理時(shí),從電化學(xué)反應(yīng)角度來(lái)看,當(dāng)外加脈沖電場(chǎng)時(shí),造成了帶電隱色體鈉鹽的快速移動(dòng),使其離開(kāi)陰極,一定程度上實(shí)現(xiàn)了電化學(xué)還原。試驗(yàn)表明,脈沖電場(chǎng)還能夠提高效率,同時(shí)還可以增大上染速率和上染百分率,增大染色牢度,改進(jìn)了常規(guī)間接電化學(xué)還原時(shí)的問(wèn)題[19-20]。

2.5 最優(yōu)工藝參數(shù)確定

通過(guò)對(duì)各種因素以及它們之間的相互作用對(duì)3項(xiàng)指標(biāo)的影響規(guī)律進(jìn)行了分析,并采用最大響應(yīng)值進(jìn)行提取工藝最優(yōu)參數(shù),得出了脈沖電場(chǎng)對(duì)染發(fā)劑和頭發(fā)的最佳工藝參數(shù)：1 125 V/mm,脈沖寬度175 μs,脈沖個(gè)數(shù)52個(gè)。為了驗(yàn)證該工藝條件的真實(shí)性,在電場(chǎng)強(qiáng)度1 125 V/mm,脈沖個(gè)數(shù)52個(gè),脈沖寬度175 μs的條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn),重復(fù)試驗(yàn)3次,將試驗(yàn)得到的結(jié)果與對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比分析,高壓脈沖電場(chǎng)可增強(qiáng)染色后的RGB參數(shù)值,分別提升1.2%、1.6%和3.7%,說(shuō)明該模型具有可信度,優(yōu)化方法有效,具有實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)論

(1)處理后的RGB中B的顏色值最大值能夠達(dá)到225,提升率為3.7%,對(duì)應(yīng)工藝最優(yōu)化參數(shù)為X1=1 125 V/mm,X2=175 μs,X3=52個(gè)。

(2)對(duì)脈沖電場(chǎng)三個(gè)參數(shù)的效應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比分析,得出電場(chǎng)強(qiáng)度為最顯著因素。電場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖個(gè)數(shù)、脈沖寬度對(duì)RGB參數(shù)值中的R和G影響較小;對(duì)RGB參數(shù)值中的B影響較大。

(3)從構(gòu)效關(guān)系角度對(duì)脈沖電場(chǎng)處理頭發(fā)的作用機(jī)理進(jìn)行研究。從化學(xué)鍵鍵能角度分析了脈沖電場(chǎng)對(duì)毛發(fā)的作用機(jī)理;從電化學(xué)角度分析了脈沖電場(chǎng)對(duì)染色劑的作用機(jī)理。

相較于其他蛋白質(zhì)改性,物理改性有著諸多的優(yōu)勢(shì),比如可以實(shí)現(xiàn)發(fā)質(zhì)品質(zhì)與強(qiáng)度的提高,縮短處理所需的時(shí)間,且對(duì)產(chǎn)品的影響小等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)響應(yīng)面設(shè)計(jì)法對(duì)脈沖電場(chǎng)處理18～28歲年齡段的頭發(fā)處理,選擇合適的脈沖參數(shù),以增強(qiáng)染色效果,并為毛發(fā)染色的后續(xù)研究提供理論和實(shí)踐參考。但目前高壓脈沖電場(chǎng)在毛發(fā)染色后著色持續(xù)性等方面的分析和研究仍較少,需要較長(zhǎng)的探索與研究才能形成更加科學(xué)的理論和實(shí)踐體系。