#1
头发结构及组成
头发的结构主要分为三部分——毛小皮、毛皮质和毛髓质。
毛小皮是最外层，由 6~10 层鳞片状细胞重叠排列成，即毛鳞片，主要决定头发的光泽度。毛皮质由角质纤维束组成，占头发截面积最多，达到 85% 左右，决定头发的弹性、强度、色泽以及粗细。头发结构最里面的是毛髓质。毛髓质占面积比较小，对头发性能影响不大。
事实上，有 10% 左右的头发没有毛髓质结构。
化学组成上，头发大部分是角质蛋白。角质蛋白由 10 多种氨基酸组成，其中，胱氨酸的含量比较高，这是头发角质蛋白和其他蛋白质不一样的地方。
这些氨基酸之间存在 4 种相互作用——氢键、离子键、双硫键和多肽键。除角质蛋白之外，头发中比较重要的成分就是水。水可以在内部打破氨基酸之间的氢键，而且含量越高，头发摸起来就越柔软。
但是水分含量越多并不是越好的。在水分含量对头发强度影响的研究中，测试了不同湿度下头发的强度。通过实验发现：湿度越高，头发强度越低；所以在设计配方时，需考虑到湿发的保护。
#2
头发损伤
头发损伤主要分为 4 类：一是梳理、拉扯对头发造成的物理损伤；二是烫染发造成的化学损伤；三是电吹风、卷发棒、拉板等造成的热损伤；四是紫外线、空气污染造成的日光损伤及气候造成的头发老化。
这 3 张电镜图是头发不同部位损伤后的形态。从图中可以发现，由于在最外层，所以先被损伤的是毛小皮。
从化学层面上说，毛小皮表面有一层天然的疏水性保护膜保护，即 18-MEA 的脂肪酸层。但是受损后，头发表面的 18-MEA 保护层会被破坏，从疏水性变为亲水性，呈现负电荷的状态。
通过比较健康毛发和受损毛发的显微镜图像可以发现，相较于健康毛发，受损毛发表面的疏水性有所下降， 18-MEA 保护膜被破坏，原来整齐排列的毛鳞片被破坏，头发内部出现空洞。
#3
头发表面疏水性的重要性
原来头发表面的 18-MEA 保护层被破坏后，头发和皮肤之间疏水性会变得相似，用手摸头发时相互作用会变强，摩擦阻力会变大，手感就会觉得头发发涩、发硬、粗糙、没有弹性。相对于亲水的头发之间的梳理性也会下降。
#4
护发技术：湿发护理+絮胶技术
护发技术的开发主要从两方面入手，一方面是物理修复。给头发表面附着一些修护成分或保护膜，里面包括絮胶和油脂。另一方面是化学修护。因为头发受损后会变成亲水，呈负电荷状态，所以能通过阴阳离子吸附作用来实现头发的修复。
在湿发护理方面，洗发水中主要是絮胶技术。在洗头时，相当于用水不断地稀释洗发水。在冲洗头发的稀释过程中，会形成右上角电镜图里面一个含水的凝胶状络合物，即絮胶。其作用主要是保持湿发的柔顺以及协助运载有效成分。
在受损后，头发和手之间的摩擦阻力会变大，相互作用也会变大，可以通过絮胶来缓冲手与头发之间的阻力，达到湿发保护、提高湿发调理性的效果。
通过实验可以发现，形成絮胶的量和湿发梳理性之间成正比关系， 形成絮胶的量越多，湿发的调理性越好。
絮胶的产生机理可以通过 4 张图来解释。
从左往右可看作为制作洗发水的过程：先往水加阳离子高分子，然后加阴离子表面活性剂。当阳离子高分子和阴离子表活的比例接近 1:1 时，就会有形成阴阳离子相结合的络合物。随着阴离子表活越来越多，络合物就会被乳化、被增溶，最后形成了洗发水中的胶束。洗发水的粘度也是通过胶束的形成实现的。
从右往左为絮胶形成的过程，洗发水使用时相当于用水不断稀释。在冲洗时，阴离子表活被慢慢冲走，大量阴离子会慢慢减少，回到阴阳离子相吸附而形成的络合物状态，这个络合物即为絮胶。随着水越来越多、不断地冲洗，最后，大部分絮胶也会随之被冲走。
#6
絮胶的测试方法
研究人员根据絮胶的形成机理开发了絮胶的测试方法。首先将洗发水稀释不同的倍数，当洗发水中会出现络合物即絮胶形成，通过肉眼也可以观察到；但无法定量，可以通过测试稀释溶液的透明度进行絮胶的定量。透明度越低、絮胶形成的量越多。
需要说明的是，被测洗发水样品最好是透明的，要选择不含珠光、不含硅油的洗发水样品。
#7
影响絮胶形成举动的要素——阳离子高分子
影响絮胶形成举动的要素有：阳离子高分子、阴离子表面活性剂、产品中的电解质含量。
阳离子高分子方面，洗发水里面常用的阳离子高分子是聚季铵盐-10 和阳离子瓜尔胶。根据需要也会复配一些合成的、小分子的、高电荷密度的聚季铵盐 -7、22、 39、 67 来复配。
通过 4 张显微镜图片可以看到，在高分子电荷密度相同的情况下，阳离子高分子的分子量越高，形成的絮胶量越多。在同样分子量的条件下，电荷密度越高，形成絮胶的量越多。
比较了三种阳离子高分子——常用的聚季铵盐-10 和阳离子瓜尔胶以及比较新的阳离子淀粉。结果发现：传统的聚季铵盐-10 和阳离子瓜尔胶相比， 阳离子瓜尔胶形成絮胶的量是比较多。阳离子瓜尔胶和阳离子淀粉相比，形成絮胶的量差不多；
但比较有趣的是，两者形成絮胶的时间点不一样。横轴是洗发水的稀释倍数，纵轴是透过率，实验结果发现，阳离子淀粉在稀释倍数比较低时会出现大量絮胶，阳离子瓜尔胶却是在稀释倍数相对较高的情况下才出现絮胶。
因此，使用了阳离子淀粉的洗发水可能在冲洗前端会有大量絮胶，会比较顺滑；阳离子瓜尔胶会在后面比较顺滑；
在设计配方的时候，工程师可根据形成絮胶的量、絮胶形成的时间点设计洗发水的湿发调理性能。
#8
影响絮胶形成举动的要素——阴离子表面活性剂的类型及结构
另一个影响絮胶形成举动的因素是阴离子表面活性剂的类型及结构。
目前，洗发水中常用的阴离子表面活性剂类型有：氨基酸类、硫酸盐类、牛磺酸类和磺酸盐类。
不同的阴离子表面活性剂，形成絮胶的能力有所差异。
实验证明，头基比较小的硫酸盐类表面活性剂和含两个头基的谷氨酸相比较下， 带有两个阴离子基团的谷氨酸更容易与阳离子高分子相互作用形成絮胶。
通过对比传统的 AES 和不同氨基酸形成絮胶的能力可以发现：各种氨基酸中，谷氨酸形成絮胶的量是最大的，形成絮胶的能力是最强的。
在牛磺酸类阴离子表面活性剂的絮胶形成对比实验中，研究人员对目前比较流行的双牛磺酸钠、单牛磺酸钠和 AES 进行了比较。
结果发现，双牛磺酸钠形成絮胶的能力比单牛磺酸钠更强。
形成絮胶的量会体现在对湿发的梳理性上。动态梳理性能测试主要评价梳理头发所需的力；力越小，头发越顺滑，梳理性越好。
测试结果发现：相较于单牛磺酸以及 AES 的洗发水，双牛磺酸盐体系的洗发水在冲洗阶段的梳理性更好，形成絮胶的量更多。
除了洗发水，湿发护理的絮胶技术方面还需要阐述的是护发素。护发素的核心技术主要是水、阳离子表面活性剂和高级脂肪醇通过乳化形成的双分子膜层状胶网结构。
层状胶网可赋予护发素非常好的调理性手感、形成产品的粘度以及稳定油脂成分。
双分子膜层状胶网是一种胶束。表活形成的胶束种类非常多，洗发水中以棒状胶束为主。护发素使用的为拥有较长烷基链的成分——长碳链的阳离子高分子和高级脂肪醇。这些成分和水形成的胶束结构为层状的。
两个显微镜图片中显示的是层状胶网结构。左边是电镜下的层状胶网结构，右边是显微镜偏光模式的层状胶网结构。
层状胶网结构对湿发的作用有利有弊，需寻找平衡点。 若层状胶网结构比较弱，冲洗时很容易被水打散，会较容易清洗，湿发会比较清爽，但洗起来涩感会比较强；若胶网结构比较强，湿发的顺滑度高，但不容易在冲洗时被打散，一直会有顺滑感，较不易被清洗干净。所以，配方工程师在开发产品时，需寻找平衡点。
以四级的季铵盐和三级的二甲胺来举例说明层状胶网的开发；用较常用的 2231（二十二烷基三甲基碳酸单甲酯季铵盐）和头基较大的二甲胺盐作比较，理论上说，头基比较大的二甲胺盐所形成的层状胶网结构应该更松散、会更容易被冲散，做出来的护发素会比较清爽。
动态梳理性的测试结果显示在冲洗后段，二甲胺盐的护发素的调理性相对传统季铵盐来说是比较弱的，即在冲时会较容易被冲掉，会比较清爽。
胶束结构强度测试证实了理论推断。测试使用流变仪对絮胶结构的强度进行了表征。实验中，将护发素放到流变仪上，然后不断施压，测层状胶网结构崩塌的时间点。
测试结果显示，二甲胺盐所形成的层状胶网比季铵盐更弱。
#9
护发技术：干发护理+油脂及阳离子修复
干发的护理分成两个方面——油脂和阳离子的修复。
油脂方面，最具代表性的是干发调理剂的硅油。硅油是非常有特色的成分；它虽然是高分子，但却是液体，非常柔软、表面张力非常低，可以很好地吸附在头发表面并形成一个疏水层，从而产生丝绸般顺滑的手感。
在硅油的选择上，洗发水常选用未经改性的乳化硅油，会存在粒径大小的选择问题。
研究人员通过实验比较了大、中、小三个粒径尺寸的乳化硅油的条理性，结果发现：粒径越大，乳化硅油的干发调理性越高。
研究人员对普通硅油进行了测试，其中的头发表面能越低，说明硅油的疏水性修复效果越好；硅油分子量越大或粘度越高，对头发疏水性的修复效果越好。
在相同粘度的情况下，氨基硅油比传统的聚二甲基硅氧烷更有效。
在氨基硅油的选择方面，并非所有氨基硅油的效果都那么好，配方师可通过水和硅油的表面张力作为指标进行选择。实验结果发现，含碳量较低、粘度适中的氨基硅油可以最有效地沉积在头发上，起到非常好的调理性作用。
针对无硅油产品选择硅油替代油脂方面，配方工程师可以从硅油的分子形态、化学结构以及表面张力出发来寻找硅油替代油脂。
在分子形态和化学结构方面，经过日本美研创新株式会社的试用，比较推荐的是日油（日本日油株式会社）开发的一款复合油脂；在表面张力方面，日本美研创新株式会社比较推荐的是花王的一款鲸蜡醇乙基己酸酯。
日油的复合油脂的商品名称是 Bitaku® Si-Fi，该系列油脂是从化学结构出发的一种硅油替代油脂；与硅油的化学结构相比较，该系列油脂可以通过醚基覆盖在头发表面，同时有非常多的甲基能外翻在头发表面，从而形成一个甲基疏水层，通过疏水性达到调理的效果。
花王这款油脂的表面张力已比较接近硅油，相较于传统的角鲨烷、液体石蜡，其表面张力算是非常地低了。
在干发护理中的阳离子修复技术方面，因为头发受损之后 18-MEA 疏水保护膜会被破坏，会由原来的疏水性变成亲水性，呈负电荷的状态，而阳离子表面活性剂可以通过正负电荷的作用吸附在头发表面。
同时，阳离子表面活性剂有长碳链的疏水链，可以达到类似18-MEA的疏水效果，所以阳离子表活可以达到头发修复的效果。
从不同碳链长度的阳离子表活对头发疏水性的修复效果实验发现：一方面，阳离子表活确实可以达到修复头发表面疏水性的效果；同时，阳离子表活的碳链越长，对头发疏水性的修复效果越好。这就是护发素中最常用的是22烷基季铵盐的原因。
传统的 22 烷基季铵盐虽然湿发调理性非常好，但有人会觉得残留感特别强、清爽度不够，如何解决这个问题呢？
日本美研创新株式会社研究人员发现，在原来的 2231 碳链中加入醚基可以提高亲水性，既能维持原有的头发修复效果，又可以提高冲洗度，同时还可以提高保湿性。
这个成分是日本花王一个比较久的产品，而日本美研创新株式会社挖掘了其的优势，并做了一系列测试、也发表过文章。
针对创新型季铵盐 QE-80K 体系和传统 BTMS 体系的护发素中形成的层状胶网，研究人员做了胶束结构强度的对比实验，结果发现：QE-80K 体系的护发素中，胶束结构相对传统 BTMS 体系是较为弱的，有利于快速清洗，有较好的清爽感。
此外，研究员也做了护发素的易冲洗度测试，对常用的 BTMS、2231 等季铵盐类进行了比较，最终发现：常用的季铵盐中，QE-80K 体系的护发素的易冲洗度最好。
最后还做了动态梳理性能测试，结果表明：QE-80K 体系在冲洗后段的清爽感越传统的 BTMS；同时，其在干发后的调理性与传统的 BTMS 相同。总的来说，QE-80K 体系的护发素冲得会比较清爽，但又不影响干发的调理性。
#10
总结
护发技术的开发，大概步骤为：先了解头发。可以把护发技术分为湿发的修护和干发的修护这两部分。再落实到某个原料或某个配方技术，然后再通过一系列的评价手段来进行对前面的配方技术进行验证，要做到“知其然，知其所以然”。
过程中，比较重要的是要了解原料及其成分。杨建中博士在研发人员做配方开发的时候，是从来都不允许其研发人员只记原料的商品名，一定会要求要记住原料的成分、成分的化学结构。因为只有了解了需要的每个原料、每个成分的化学结构，那么才可以比较容易地在脑中勾画出头发修复后的效果，配方中胶束大概的模型。
这样子做的话，在开发配方时会比较轻松高效、相对地来说也会更加精准，做出来的配方会更有效。
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