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化工原料常见问题

利用聚乙烯吡咯烷酮的络合属性改善其成膜特性

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  利用PVP的络合属性改善其成膜特性

       利用PVP的络合属性改善其成膜特性.png

  聚乙烯吡咯烷酮|成膜硬度|卷曲保持率

  本文主要研究向PVP配方中添加醇类物质,通过发丝成膜起白、成膜吸湿性、发丝成膜硬度、发丝卷曲保持率等测试实验,研究醇类对成膜性能的影响。

  01实验方法

  1.1发胶起白检测方法

  将发胶涂抹于长23cm、重3.0g的发束上,室温过夜干燥12h。采用黑色密尺梳,从上到下梳理10次,观察起白现象并打分。0~10分,分值越小,起白现象越明显。

  发胶起白检测方法.png

  1.2成膜吸湿性检测

  配制多种PVP/醇类混合溶液,PVP质量分数为5%,醇类添加剂质量分数为0.5%。取10mL该溶液浇筑于9cm直径的平板中,105℃过夜干燥恒重,记录初始重量。将成膜平板放置于30℃、相对湿度60%的恒温恒湿箱中,持续24h,记录重量,根据重量增加量计算吸湿量。

  1.3涂膜硬度铅笔测定

  依据GB/T6739-1996膜硬度铅笔测定法分别对5%K30+0.5%各种添加剂成膜硬度进行检测。

  1.4卷曲保持率测定

  发束预处理:新购回的发束用10%SLS溶液柔洗1min,之后用温水冲洗1min,再用10%SLS溶液柔洗1min,用温水冲洗1min,吹风机吹干。发束分成每束长23cm,重3.0g备用。上胶卷发:利用减量法取1.5g待测样液均匀涂抹于发束上,用外径1.5cm玻璃试管作为卷发杠,将发束卷起,并用发卡固定,室温过夜干燥12h。卷曲保持测定:将发束从卷发杠上取下,吊在30℃、RH60%(相对湿度)的恒温恒湿培养箱中,每隔一定时间检测发束长度(最初2h应密集检测),直到8h后。

  1.5头发定型硬度测试

  将1.5g待测样液均匀涂抹于长23cm,重3.0g的发束上,室温过夜干燥12h。采用万用拉力试验机测试发束的硬度。

  02实验结果

  2.1添加剂对含PVP定型配方剥落起白现象的影响

  由于PVP独特的化学组成和理想的成膜性能,对头发等自然基质表现出优异的附着力。它对头发的包覆和粘附能力使其成为发型设计中的一个重要成分。与其他非PVP定型树脂相比,PVP具有相对较高的玻璃化转变温度,约为175℃。由于其生成坚硬的薄膜,含有PVP的配方可能会导致成膜剥落,产生起白现象。降低头发成膜剥落可能性的一种方法是使聚合物塑化,以形成一种“更柔软”的薄膜,不易从头发纤维上发生断裂和分层。将各种添加剂添加到PVPK30配方中,以减少头发成膜剥落造成的起白现象,结果见表1。

  所有的共混体系都是相容的,形成了透明闪亮的薄膜。正如所希望的那样,在PVPK30系统中添加增塑剂以减少头发成膜剥落起白的想法是成功的。然而,我们担心添加剂的塑化效应会对其薄膜属性产生负面影响,如吸水率、薄膜硬度、薄膜刚度以及发束卷曲保持率。

  从表1和图1可以看出,各种添加剂均对PVP发胶起白现象有所改善,其中PEG12-二甲基硅氧烷和乙二醇的改善作用最为明显。但是添加PEG12-二甲基硅氧烷后,PVP的成膜硬度显著下降,这在图1发束卷曲率保持实验中也进一步得到了印证。乙二醇和1,2-丙二醇的添加,在有效改善起白现象的同时,并没有降低PVP的成膜硬度,并且成膜后对湿气产生一定抗性,发束硬度增加,卷曲保持能力有所提升。聚乙二醇系列和丙三醇虽然有改善起白现象的效果,但是降低了成膜硬度,使发束卷曲保持能力下降。

  表1各种水性PVP添加剂系统的成膜性能.png

  2.2添加二醇类物质对含PVP定型配方剥落起白现象的影响

  为了研究二元醇结构对PVP成膜的影响,将各种水溶性二元醇与PVPK30混合,并对其生成的薄膜和定型的发束进行测试。将各种二醇添加到PVPK30配方中以减少头发成膜剥落造成的起白现象结果见2。发束卷曲保持率见图2。从表2和图2可以看出,表中所列的所有二醇体系均能够改善PVP的成膜吸湿性。1,3-丙二醇和所有丁二醇类虽然在PVP成膜起白方面能够提供帮助,但是它们成膜更软,对发束的卷曲保持能力更弱。乙二醇和1,2-丙二醇在各项指标中,依旧给出了正向结果。

  图1以PVP K30为对照,30℃和60%相对湿度下多种添加体系的卷曲保持率.png

       图2.png

       表2.png


  03讨论

  根据研究结果可以得出,水溶性小分子二醇是改性基于PVP的发型配方和改善涂膜性能的理想选择。虽然在定型配方中常常添加极少量的添加剂,但通常会对最终的漆膜性能产生不利影响。

  令我们意外的是,在一些情况下,添加某些二醇实际上可增强PVP薄膜的整体性能和头发的美感。由此产生的机械性能不能简单地用增塑的概念来解释,因为这无法解释二醇对薄膜硬度造成的有限影响。我们推测,PVP/二醇体系的物理性能和机械性能是通过氢键相互作用形成复合物的结果。这些氢键相互作用不仅增韧了PVP/二醇复合膜,还增强了头发二醇-PVP复合物,从而增强了造型性能。二醇的氢键能力是双官能团的,因此在干燥过程中,形成的薄膜是微交联的。PVP和二醇形成交联的概念见图3。

  图3.png

  头发上也可能发生类似的氢键相互作用,但该系统更为复杂,因为头发上的聚合物层代表两种截然不同的材料复合物,即内部头发链和外部PVP聚合物层。当梳理力和刷洗力克服PVP和毛纤维之间的吸引力,导致复合材料分层时,会发生剥落、起白。头发的外部结构由脂质和称为角蛋白的纤维蛋白组成。在角蛋白中,氨基酸连接在一起形成一个α螺旋结构,由三个主要键固定:氢键、离子键和二硫键。PVP对头发纤维的吸引力主要是通过氢键和静电相互作用。水会使头发纤维的直径和体积增加。在使用PVP/二醇的水性配方时,水和二醇都会在膨胀过程中进入头发纤维。头发干燥并形成PVP膜后,一些二醇仍滞留在头发纤维中,并充当柔性锚定点,以促进PVP与头发纤维的粘附。

  04结论

  本文向PVP配方中添加各种添加剂,测试复合配方的成膜性能。实验发现乙二醇、1,2-丙二醇的添加不仅改善了PVP在头发表面成膜的起白现象,还增强了成膜硬度和卷曲保持能力。二醇减少PVP在头发上剥落的能力不是由于塑化,是PVP和头发纤维之间的氢键加强了粘附力,而氢键是由二醇“锚定”部位促进的,从而使整体复合材料更坚韧,不易引起粘附失效。这些效应的理解和优化,将为合成新一代基于PVP的聚合物发挥重要作用。

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