从工业的角度来看，头发有许多吸引人的特征。与羊毛、鳞片或羽毛相比，人类的毛发是动物皮肤细胞进化的简单形式。头发是一种丰富的可再生自然资源，是化妆品行业的热门目标，也是生物技术应用中极有吸引力的基础材料。其实，头发是一种无处不在的生物材料，由蛋白丝组成。毛发横切面(图1)具有三个不同的区域：角质层、皮质层和髓质。角质层是一层薄薄的扁平细胞，呈瓦状排列；皮质层较厚，包含杆状角蛋白分子和黑色素细胞；髓质是一个松散的中心区域。

脂质分子散布在角质层上，使毛发表面具有疏水性。这一点很重要，因为诸如漂白、染色、护理直接作用于暴露在外的角质层，角质层与外界发生摩擦、润湿、吸附和扩散营养物质等作用。事实上，通过机械手段(梳理，吹干)和化学(漂白，日晒)手段损伤角质层会暴露毛发上的孔结构。这对了解头发的机械性能和整体健康有着重要的意义。本应用报告主要对头发的基本参数，特别是BET比表面积、孔径分布和密度进行了表征和讨论。

图1 ：人类毛发的结构

比表面

通过不同的处理条件，研究人员得到了发丝的表面积和孔径的变化。使用Anton-Paar Autosorb iQ在N2(77K) 条件下进行了气体吸附分析。头发被切成小段，在145°C下脱气0.5小时。图2为随着漂白程度增加(1.7% NH4OH/ 6% H2O, 313K, 0-20分钟)或紫外线照射时间的增加(340 nm, 450 J/cm2, 0-1200小时)，头发的标准多点BET比表面积结果。图2 同时说明，对于未处理的头发，其BET比表面积约为0.4 m2/g。

图2 ：不同程度的处理方式使毛发BET比表面积发生变化

假设有纤维是均匀圆柱型的，且孔隙率很小，这纤维和上述毛发的比表面积值相近。短时间漂白的头发，其比表面积是未经处理头发的三倍。但是，延长漂白时间后，毛发的比表面积损失很大。相比之下，图2中，紫外线辐射处理导致的毛发表面积损失较轻微。将毛发浸入低分子量聚合物(头发调节剂)会导致表面积损失更多，这是因为低分子量聚合物渗透到了毛发的开孔中。显然，系统地研究毛发经不同处理方法后的BET比表面积变化可以用来预测和优化头发质量。

孔结构 

上文讨论的气体吸附法既可以用于BET比表面积的研究也可以用于N2(77k)等温线的测量。等温线可用于样品孔隙结构的详细分析。图3显示了三个毛发纤维的累积孔体积曲线。与原始头发样品相比，可以清楚地看到，经过短时间的漂白处理后，孔体积几乎增加了一倍。其中，在1-10 nm范围内的孔体积上升最快，这说明在该范围内，漂白剂对孔表面的刻蚀最为有效。相比之下，紫外线处理稍微降低了孔体积。孔径分布结果如图4所示。

图3 ：三种不同毛发的累积孔体积曲线

从图4的孔径分布可以看出，未经处理的毛发孔径分别为2 nm、3 nm、5nm。经过短时间的漂白后，孔容增加，最可几孔径发生变化。在长时间的紫外线照射下，毛发中的孔径变小，孔容变少。

由于毛发表面积较低，使用Kr (77 K)(仅BET比表面积测试)或Kr (87 K) (BET比表面积和孔隙大小分布)进行测量可以提高测试灵敏度，可以使用Kr (77 K)测试毛发的BET比表面积或Kr (87 K)测试BET比表面积和孔径分布。Kr吸附尤其适用于比表面积较小的样品或者样品量不足的情况。

图4 ：三种不同毛发纤维的孔径分布

密度

毛发纤维中含有50%的碳。大约65%- 95%的头发由蛋白质、尤其是α-角蛋白组成，其密度约为1.283 ~1.335g/cm3。使用安东帕康塔真密度仪可以在几分钟内测量最低0.1 cm3毛发的骨架密度。表1为使用氦气测试的男性(M1)和女性(F1)毛发纤维骨架密度测试结果。

表1：使用Ultrapyc系列测试男性(M1)和女性(F1)毛发样本的骨架密度

表1显示了两组毛发间存在明显的差异。这两组毛发都在到样后直接测试，以排除由于热损失而引起的晶体微观结构的变化。表1表明，男性毛发样本更符合由α-角蛋白组成的特征，而女性毛发样本的密度更高。较高的密度可能是由于静电在毛发上粘附了高分子量的头发调理剂或颗粒。基于性别，年龄，种族等的差异，人类毛发的密度通常是不同的。当然，局部毛发密度取决于许多因素，包括孔隙率、毛发的取样位置（距离发根的远近）、头发色素沉着等。封闭的孔隙(外部流体无法进入的孔隙)也会导致测量到的骨架密度低于真实的固体密度。毛发的骨架密度也应该与“稠密度(denseness)”区分开来，“稠密度(denseness)”表示的是每单位面积皮肤上的发丝数量。

总结

人类毛发纤维具有一定的表面积。BET比表面积和孔径都可以被视为头发性能的重要相关因素。此外，气体比重法是一种快速和无损的方法，可用来评估测试毛发的骨架密度。正如科学家所知，人类毛发是非常有用的生物技术应用基础材料(如组织支架)，毛发纤维纯天然且经济稳定，可以替代人工合成材料。由于这些标准化技术在实验上的简单便捷且提供了丰富的信息，随着越来越多的科学家认识到它们的潜在优势，用上述方法和仪器对天然和合成纤维进行测试会越来越受欢迎。