Évaluation des propriétés mécaniques de cheveux humains

On nous a récemment demandé si notre testeur mécanique avait la capacité d'évaluer les propriétés mécaniques des cheveux humains à fibre unique. Dans notre laboratoire, un scientifique s’est consacré à cette étude de faisabilité.

La partie la plus difficile de ce travail a été de développer les accessoires de préhension appropriés pour facilement monter chaque cheveu testé sur le testeur et être en mesure d'effectuer des tests de traction et de torsion. Après quelques essais, nous avons trouvé que le procédé de montage le plus simple et le plus reproductible était basé sur l'utilisation d'une paire de pointes d'aiguille de seringue. Sur le testeur mécanique, la fibre capillaire a été insérée à travers les deux aiguilles en vis-à-vis et espacée par un intervalle de longueur prédéfinie. Une seule goutte de colle de cyanoacrylate a été appliquée dans la cavité plastique de chaque aiguille pour fixer le cheveu en place. Deux supports d'embouts d'aiguille avec la même forme effilée que la seringue régulière ont été montés sur le Mach-1. Ces deux supports ont été fixés face à face au centre d'une chambre d'essai sous une cellule de charge multiaxiale de 17N. Le cheveu ainsi que son support à double aiguilles a alors été solidement inséré sur le support (voir Image 1).

Après la mise à zéro de la charge, et compte tenu de la position relative de l'axe vertical, la longueur initiale des cheveux à pleine extension (en l'absence de charge) a été mesurée à l'aide de la fonction «Find Contact» du Mach-1 Motion. Une déformation sinusoïdale dans la région élastique a été appliquée pendant 30 cycles à 0,5, 1 et 2 Hz. Une analyse des essais mécaniques dynamiques a été menée (référence MA056-SOP04-D) pour extraire les composantes complexes de module d'accumulation et de perte de traction. Les essais dynamiques ont montré une augmentation de l'amplitude de phase avec une fréquence accrue. Ce résultat est attendu et explique une augmentation de la déformation plastique (module de perte) avec une fréquence accrue.

Le module de traction et la résistance à la traction ont également été mesurés et calculés (logiciel Mach-1 Analysis) lors d’un test de traction jusqu'à la défaillance (voir image 2). Les résultats ont été trouvés pour être en accord avec la littérature (Lee, 2012): 930 MPa résistance à la rupture, 6,5 GPa module élastique. Un autre ensemble de tests a été réalisé en utilisant un axe de rotation pour appliquer une torsion sur les cheveux jusqu'à ce que la rupture se produise. Pour deux échantillons, les résultats étaient 175 et 179 tours avant échec. Un flux de caméra avec un objectif 10X a été utilisé pour visualiser la torsion de la fibre en temps réel (voir capture vidéo).

La torsion plastique des cheveux reste même après la rupture et peut être visualisée au microscope (voir Image 3 – Photo post-torsion avec microscope 20x).

Pendant la torsion, la force générée autour de l'axe Z était trop faible pour être mesurée par la cellule de charge multiaxiale 17N. Cependant, la contraction verticale des cheveux induite par la torsion crée une force contractile verticale qui peut être mesurée par le canal Fz de la cellule. On suppose que, grâce à une modélisation théorique appropriée de cette configuration de test, cette charge axiale pourrait être utilisée pour mesurer indirectement la résistance au cisaillement, en torsion, des cheveux.

Différents modes indirects de quantification des propriétés de torsion des fibres ont également été proposés dans la littérature. Par exemple, en rapportant la longueur de jauge initiale au nombre de rotations avant rupture, on peut obtenir une valeur théorique pour l'angle de fracture. D'après une analyse de base, l'angle de fracture s'est avéré être compris entre 26 et 33°.