Caractérisation multi-échelle du comportement morpho-mécanique de la fibre capillaire suite à une sollicitation thermomécanique

Multiscale characterization of the morpho-mechanical behavior of human after a thermomechanical solicitation

• Auteur / Autrice : Juliette Jamart
• Direction : Hassan Zahouani, Jean-Michel Bergheau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et ingénierie
• Date : Soutenance en 2015
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Ecole nationale d'ingénieurs (Saint-Etienne1961-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hassan Zahouani, Jean-Michel Bergheau, Jean Doucet, Cyril Pailler-Mattei, Alain Rassineux, Jean-Christophe Roux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benyebka Bou-Saïd, Caroline Richard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés de surface

Propriétés mécaniques

Rhéologie

Cheveux

Résumé

L'utilisation quotidienne d'appareil de coiffure chauffants peut parfois être une souce d'endommagement pour le cheveu. Ce travail de thèse porte sur l'effet d'une sollicitation thermomécanique, appliquée par le frottement des plaques chaudes d'un fer à lisser, sur les propriétés du cheveu humain. En s'appuyant sur une approche expérimentale ainsi que sur le développement de modèles rhéologiques, cette étude a pour objectif une compréhension multi-échelle des effets d'un traitement thermomécanique, du cortex à la cuticule du cheveu. Une forte corrélation a été mise en évidence entre l'évolution de l'architecture du cortex et celle des propriétés mécaniques du cheveu. L'application d'un traitement thermomécanique mène à la désorganisation ou à l'étirement et la réorientation des structures moléculaires et supramoléculaires, selon la température et l'effort de cisaillement appliqués. D'un point de vue mécanique, ces modifications microstructurales provoquent des variations importantes du volume libre et de la mobilité des molécules de kératine au sein du cortex, modifiant ainsi significativement les propriétés visco-élasto-plastiques du cheveu. La mise en évidence du lien entre les évolutions micro- et macroscopiques a permis d'établir des modèles rhéologiques décrivant le comportement mécanique global du cheveu et pour lesquels l'évolution des paramètres rhéologiques suit celle des facteurs architecturaux du cotex. Un traitement thermomécanique a également un effet sur la cuticule, partie perceptible du cheveu. Une analyse multi-résolution a permis de relier l'évolution des différents détails de la surface à des qualités sensorielles, telles que la douceur, la brillance et la fluidité de la chevelure. Au-delà de 170°C, le passage du fer chaud aplatit les petites rugosités de surface, améliorant ainsi la brillance et la douceur qu'elle renvoie. Cependant, le traitement peut transformer la cuticule en une gaine rigide en provoquant la fusion partielle des écailles les unes sur les autres et faire perdre au cheveu sa souplesse. Pour pallier ce dernier effet, un débit de vapeur peut être introduit avant le frottement des plaques chaudes. L'eau va alors jouer le rôle de plastifiant pour permettre d'abaisser la température des plaques nécessaire pour lisser les petites rugosités, tout en préservant les écailles et la structure multicouche de la cuticule

When use on a daily basis, heat appliances can be harmful to human hair. This study deals with the effect of a thermomechanical solicitation, generally applied by the friction of the hot plates of a hair straightener, on the properties of human hair. This work is built on an experimental approach and on the development of rheological models. It aims at understanding the effects on the different levels of the hair's multiscale structure, from the cuticle to the cortex. A strong correlation between the changes of the cortical architecture and of the mechanical properties of hair has been emphasized. A thermomechanical treatment leads to the disorganization or the stretching and reorientation of the molecular and supra-molecular well-organized structure, depending on the temperature and on the shear force applied. From a mechanical point of view, these microstructural modifications create changes in the free volume and in the moving hability of the keratin molecules in the cortex, thus modifying the visco-elasto-plastic properties of the fiber. The link between the micro- and macroscopic changes allows to build rheological models that describe the global hair's mechanical behavior and for which the evolution of the rheological parameters follows the evolution of the architectural factors of the cortex. A thermomechanical treatment has also an effect on the perceptible part of hair, the cuticle. A multiresolution analysis allowed to link the different components of the surface to sensory qualities, such as the brightness, softness and fluidity of hair. For temprature higher than 170°C, the friction of the hot plates flattens the small roughnesses of the surface, improving its brightness and softness. However, it can also lead to the melting of the overlapping scales among each other and hair loses its natural fluidity, due to the loss of the multilayer aspect of the cuticle. To remedy this harmfull effect, a steam flow can be delivered just before the contact of the hot plates against the hair fiber. Water acts like a plasticizer and small roughnesses can be flatten for lower temperatures, allowing to preserve the shape of the scales and the multilayer structure of the cuticle