Химия цвета. Как работают красители на волосах. Научное объяснение окрашивания, осветления и удаления косметического цвета для парикмахеров

Введение

Эта книга создана для того, чтобы восполнить пробел между научным пониманием окрашивания волос и реальной практикой колористов. Ведь зачастую зачастую знания парикмахеров основываются на мифах, маркетинге и «опыте», не прошедшем проверку. Мастер попробовал на одном клиенте какую-то технику и дает в сети экспертное мнение, что она работает повсеместно. Это грустно и печально. Я, как человек, который большую часть своей жизни посвятил развитию нашей профессии, стремлюсь объединить химию, биофизику и косметическую технологию, чтобы понять:

что именно происходит с волосом при окрашивании;

какие молекулы действуют, где и как;

как на цвет влияет структура волоса, оксидант, время, влажность, pH;

почему происходят ошибки и искажения цвета — не с бытовой, а с молекулярной точки зрения.

Это важно, поскольку в нашей профессии очень много несостыковок. Химики создают красители для волос и совершенно не ориентируются на практику, а лишь делают анализ на прядях и мнении одного-двух стилистов. Парикмахеры, не имея знаний о реальной практической химии, углубляются в теорию и часто практические наблюдения интерпретируются не корректно. Объяснения вроде «волос — губка» или «волосы не берут цвет» — неточные метафоры, не отражающие ни структуру, ни химические процессы.

Без научной базы невозможно точно прогнозировать результат окрашивания, особенно на сложных базах.

Эта книга построена только на:

проверенной информации из академических источников (журналы, справочники, патенты);

официальных исследованиях лабораторий производителей красителей;

логике органической и физической химии.

ДЛЯ КОГО ЭТА КНИГА СОЗДАНА?

Парикмахерам и колористам, стремящимся понять суть своей работы и уйти от «принципа страуса»;

Технологам и производителям красителей — для более точной формулировки и предсказуемых действий;

Преподавателям, ищущим связь между косметикой, химией и практикой.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ

В книге не будет адаптированных бытовых формулировок.

Будут химические описания, уравнения, научные данные — адаптированные для понимания специалистами, но без упрощения сути. Я понимаю, что многие ищут точное решение проблем, но я хочу сразу разочаровать - работа с цветом ситуативна и мы не сможем учесть всех нюансов реакции внутри волос, поскольку можем анализировать волос только снаружи. Однако, чем больше мы знаем, тем меньше неожиданностей может произойти и тем быстрее мы можем исправить те немногие искажения, которые могут произойти в нашей работе.

В основу книги легли:

научные публикации по косметической химии (J. Cosmet. Sci., Int. J. Trichology и др.)

справочники: Robbins, Draelos, OLenick и др.

патенты (LOréal, Henkel, Kao, Wella)

внутренние методички химических лабораторий брендов, включая мой личный бренд Injir Hair

систематизация практического опыта, прошедшего химическую интерпретацию.

ГЛАВА 1. Волос не губка. Почему бытовые метафоры мешают понимать окрашивание.

1.1 Почему окрашивание начинается с волоса

Химия красителей начинается не с тюбика, окислителя или палитры. Она начинается с понимания материала, на котором работает краситель. Волос нельзя рассматривать как пустую трубку, губку или пассивное полотно. Это сложное биологическое волокно, состоящее из белков, липидов, воды, пигментов и межклеточных структур [1], [2]. Видимая часть волоса не является живой тканью, но она сохраняет химическую активность как материал. Волос способен набухать, изменять проницаемость, удерживать воду, терять липиды, взаимодействовать с кислотами, щелочами, окислителями, восстановителями и молекулами красителей [1], [2].

Именно поэтому один и тот же краситель может давать разные результаты на разных волосах. Различия связаны не только с уровнем глубины тона или фоном осветления, но и с состоянием кутикулы, кортекса, межклеточного мембранного комплекса, липидной системы, влажности и степени повреждения волокна [1], [3], [4].

Когда окрашивание объясняется только бытовыми образами, теряется главное: цвет является результатом взаимодействия продукта, структуры волоса и условий химической реакции.

1.2. Почему волос не является губкой

Сравнение волоса с губкой удобно, но научно неточно. Губка впитывает жидкость в открытые поры механически. Волос работает иначе. Он не просто впитывает краситель, а изменяет свою проницаемость под действием воды, pH, температуры и химических компонентов состава [1], [4].

При окрашивании происходят несколько процессов одновременно. Волокно набухает. Изменяется состояние поверхности и межклеточных структур. Малые молекулы красителя и вспомогательных компонентов перемещаются через доступные пути. В случае окислительных красителей прекурсоры и муфты вступают в реакцию с участием окислителя, образуя окрашенные соединения уже внутри структуры волоса [4], [5], [6].

Поэтому окрашивание нельзя свести к простой схеме «волос впитал краску». Такая схема не объясняет, почему краситель может затемнять пористые концы, плохо работать на плотных натуральных волосах, давать пятна на повреждённых участках или быстро вымываться после красивого первичного результата.

Волос следует рассматривать как многослойное кератиновое волокно с избирательной проницаемостью. Это более точная модель, которая позволяет понять реальные причины результата.

1.3. Основные структурные зоны волоса

Волос обычно описывают через три основные зоны: кутикулу, кортекс и медуллу [1], [2].

Кутикула — наружный защитный слой. Она состоит из перекрывающихся клеток и формирует барьер между внешней средой и внутренними структурами волоса. Состояние кутикулы влияет на блеск, трение, тактильное ощущение, скорость проникновения веществ и равномерность косметического результата [1], [2].

Кортекс — основная масса волоса. В нём находятся кератиновые макрофибриллы, белковый матрикс, меланиновые гранулы и структуры, определяющие прочность, эластичность и цвет волоса. Для окрашивания кортекс имеет ключевое значение, поскольку стойкий цвет формируется не только на поверхности, а внутри волокна [1], [5], [6].

Медулла — центральная зона волоса. Она может присутствовать, отсутствовать или быть выражена неравномерно. В большинстве процессов окрашивания медулла не рассматривается как главная рабочая зона [1], [2].

Такое деление важно не ради анатомии как таковой. Оно показывает, что краситель взаимодействует не с однородной массой, а с системой разных структур, каждая из которых по-своему влияет на результат.

1.4. кутикул как барьер с переменной проницаемостью

Кутикула часто описывается через образ «открывающихся» и «закрывающихся» чешуек. В реальности процесс сложнее. Кутикула не работает как механическая дверь. Под действием воды, щелочной среды и температуры волос набухает, меняется состояние поверхности и межклеточных участков, увеличивается доступность путей для проникновения малых молекул [1], [4].

Щелочная среда повышает набухание и проницаемость волоса. Это облегчает движение молекул красителя и окислителя, но одновременно увеличивает нагрузку на барьерные структуры. При чрезмерном воздействии щёлочи, окислителей и температуры возрастает риск повреждения поверхности, нарушения липидного слоя и снижения качества волокна [1], [3].

Кутикула важна не только как наружная защита. Её состояние влияет на равномерность окрашивания и на то, как свет отражается от поверхности волоса. Даже при правильно сформированном цвете внутри кортекса повреждённая кутикула может сделать оттенок визуально более мутным, матовым или менее чистым.

1.5. Межклеточный мембранный комплекс

Межклеточный мембранный комплекс, или CMC, является одной из ключевых структур волоса. Он расположен между клетками кутикулы и кортекса и представляет собой сложную липидно-белковую систему [3].

CMC часто называют «межклеточным цементом», но он выполняет не только функцию сцепления. Он участвует в барьерных свойствах волоса, влияет на движение воды и веществ, поддерживает целостность волокна и играет роль в механической устойчивости структуры [3].

Разные участки CMC отличаются по строению. CMC между клетками кутикулы, между клетками кортекса и на границе кутикулы с кортексом не является одной и той же структурой. Это важно, потому что вещества не проходят через волос как через простую трубку. Их движение зависит от плотности тканей, состояния межклеточных зон и степени повреждения [3], [4].

В механизмах проникновения красителей важную роль играют межкутикулярные области, эндокутикула, межклеточный комплекс и другие менее плотные участки структуры. Обзор по механизмам действия красителей описывает диффузию молекул через такие зоны как часть пути к внутренним областям волоса [5].

Нарушение CMC меняет поведение волоса. Волос может быстрее намокать и легче принимать некоторые вещества, но одновременно становится менее устойчивым, менее равномерным и менее предсказуемым при окрашивании.

1.6. Кортекс как главная зона стойкого изменения цвета

Кортекс составляет основную массу волоса. Именно здесь расположены структуры, определяющие прочность, форму и натуральный цвет. В кортексе находятся кератиновые макрофибриллы, матрикс и меланиновые гранулы [1], [2].

Для окислительных красителей кортекс особенно важен. Молекулы прекурсоров и муфт имеют сравнительно малый размер и способны проникать внутрь волоса. После проникновения они вступают в реакции окисления и сочетания, в результате которых формируются окрашенные соединения с большей молекулярной массой [5].

Стойкость окислительного окрашивания связана не только с тем, что молекулы «застряли» в волосе. Более точное объяснение состоит в том, что окрашенные соединения формируются внутри структуры и хуже удаляются при обычном мытье из-за своего размера, локализации и взаимодействия с волокном [5], [6].

Исследование с использованием nanoscale secondary ion mass spectrometry показало, что окрашенные хромофоры, образованные при окислительном окрашивании, могут локализоваться внутри структуры волоса, а меланиновые гранулы чёрных волос являются важными зонами окрашивания [6]. Это подтверждает, что стойкий цвет нельзя объяснить только поверхностным нанесением пигмента.

1.7. Диффузия и химическая реакция

Окрашивание включает два принципиально разных процесса: перемещение молекул и химическое образование цвета.

Первый процесс — диффузия. Молекулы красителя, щёлочные агенты, окислитель и другие компоненты должны распределиться в доступных зонах волоса. На это влияют размер молекул, заряд, растворимость, состояние кутикулы, влажность, pH, температура и повреждённость волокна [4], [5], [7].

Второй процесс — химическая реакция. В окислительных красителях конечный цвет не полностью присутствует в тюбике до смешивания с окислителем. Цвет формируется в результате реакций прекурсоров и муфт при участии окислителя. Поэтому результат зависит не только от проникновения, но и от условий реакции [5].

Если молекулы проникли недостаточно, цвет может быть слабым или поверхностным. Если проницаемость слишком высокая и структура повреждена, результат может стать слишком плотным, пятнистым или нестойким. Если условия реакции нарушены, оттенок может развиться не полностью или сместиться.

Окрашивание — это не простое внесение цвета в волос. Это управляемое сочетание диффузии и химического образования окрашенных соединений.

1.8. Повреждённый волос и ложное ощущение лучшего окрашивания

Повреждённый волос часто быстрее принимает краситель. Это создаёт впечатление, что он «лучше берёт цвет». Но высокая скорость принятия пигмента не равна качественному окрашиванию.

Повреждение кутикулы, CMC и кортекса может увеличить проницаемость, но одновременно снижает способность волоса равномерно распределять и удерживать цвет. Поэтому пористые участки могут быстро темнеть, интенсивно захватывать холодные или фиолетовые нюансы, давать пятна и затем быстрее терять оттенок при мытье [1], [3], [5].

Такой результат связан не с тем, что волос «капризный», а с тем, что нарушена его барьерная и удерживающая система. Чем сильнее повреждена структура, тем меньше окрашивание похоже на контролируемую реакцию и тем больше зависит от неоднородности самого материала.

1.9. Почему одинаковый краситель работает по-разному

Один и тот же краситель может давать разные результаты на разных волосах из-за различий в структуре волокна.

На плотных натуральных волосах проникновение может быть более медленным. Цвет может развиваться сдержаннее, но при правильных условиях часто получается более стабильным.

На пористых осветлённых волосах проникновение может происходить быстрее, но распределение и удержание цвета становятся менее предсказуемыми. Особенно это заметно при работе с холодными, серыми, фиолетовыми и синими нюансами.

На ранее окрашенной длине результат зависит от остаточных искусственных пигментов, степени повреждения, состояния CMC, липидной системы, минералов, ухода и истории предыдущих процедур.

Таким образом, краситель работает не сам по себе. Он всегда работает внутри конкретного материала. Поэтому одинаковая формула не гарантирует одинаковый результат.

1.10 Распространённые упрощения

Первое упрощение — представление о волосе как о губке. Эта модель не объясняет ни избирательную проницаемость, ни роль CMC, ни формирование окислительного цвета внутри структуры.

Второе упрощение — представление о кутикуле как о двери, которую можно просто открыть и закрыть. В реальности речь идёт о набухании, изменении проницаемости, состоянии межклеточных структур и поверхности волоса.

Третье упрощение — фраза «волос не берёт цвет». За ней могут стоять разные причины: плотная кутикула, недостаточная щёлочность, слабая диффузия, неправильный окислитель, остатки продуктов, металлы, несовместимые пигменты или нарушение условий реакции.

Четвёртое упрощение — идея, что повреждённый волос лучше окрашивается. Повреждённый волос может быстрее принимать пигмент, но чаще хуже контролирует его распределение и удержание.

Пятое упрощение — представление, что стойкость зависит только от бренда красителя. Стойкость зависит также от структуры волоса, локализации пигмента, состояния кутикулы, CMC, пористости, ухода и внешних воздействий.

1.11. Выводы

Волос не является губкой, пустой трубкой или пассивным полотном. Это многослойное кератиновое волокно с избирательной проницаемостью.

Кутикула выполняет барьерную функцию, но её нельзя сводить к механическому «открытию» и «закрытию» чешуек.

CMC является важной межклеточной структурой, влияющей на сцепление клеток, движение воды, проникновение веществ и устойчивость волоса.

Кортекс является главной зоной стойкого изменения цвета при окислительном окрашивании.

Окрашивание включает не только проникновение молекул, но и химическое образование окрашенных соединений внутри волоса.

Повреждённый волос может быстрее принимать пигмент, но чаще даёт менее равномерный и менее стойкий результат.

Одинаковая формула красителя может работать по-разному, потому что она взаимодействует с разной структурой волоса.

Понимание окрашивания начинается с отказа от бытовой модели «открыли — внесли — закрыли». Научно точнее рассматривать процесс как изменение проницаемости волоса, диффузию молекул, химическое образование цвета и последующую стабилизацию результата.

Научные источники

Robbins C. R. Chemical and Physical Behavior of Human Hair. 5th ed. Berlin, Heidelberg: Springer; 2012. DOI: 10.1007/978-3-642-25611-0.

Yang F. C., Zhang Y., Rheinstädter M. C. The structure of people’s hair. PeerJ. 2014;2:e619. DOI: 10.7717/peerj.619.

Robbins C. The cell membrane complex: three related but different cellular cohesion components of mammalian hair fibers. Journal of Cosmetic Science. 2009;60(4):437–465.

Gummer C. L. Elucidating penetration pathways into the hair fiber using novel microscopic techniques. Journal of Cosmetic Science. 2001;52(5):265–280.

da França S. A., Dario M. F., Esteves V. B., Baby A. R., Velasco M. V. R. Types of Hair Dye and Their Mechanisms of Action. Cosmetics. 2015;2(2):110–126. DOI: 10.3390/cosmetics2020110.

Kojima T., Yamada H., Yamamoto T., Matsushita Y., Fukushima K. Dyeing regions of oxidative hair dyes in human hair investigated by nanoscale secondary ion mass spectrometry. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 2013;106:140–144. DOI: 10.1016/j.colsurfb.2013.01.028.

Kelch A., Wessel S., Will T., Hintze U., Wepf R., Wiesendanger R. Penetration pathways of fluorescent dyes in human hair fibres investigated by scanning near-field optical microscopy. Journal of Microscopy. 2000;200(Pt 3):179–186. DOI: 10.1046/j.1365-2818.2000.00774.x.

Rogers G. E. Known and Unknown Features of Hair Cuticle Structure: A Brief Review. Cosmetics. 2019;6(2):32. DOI: 10.3390/cosmetics6020032.

Fei-Chi Yang, Yuchen Zhang and Maikel C. Rheinstadter. The structure of people’s hair. Copyright 2014 Yang et al. DOI 10.7717/peerj.619

Qiaoyue Man,Lintong Zhang and Youngim Cho. Efficient Hair Damage Detection Using SEM Images Based on Convolutional Neural Network - Department of Computer Engineering, Gachon University, Seongnam 1342, Korea - Appl. Sci. 2021, 11(16), 7333; https://doi.org/10.3390/app11167333

ГЛАВА 2. Кератин, СМС и липиды. Почему химический состав волосы управляет окрашиванием.

2.1. Волос как химически активный материал

Видимая часть волоса не содержит живых клеток, не имеет кровоснабжения и не способна к биологическому восстановлению. Однако это не делает волос химически пассивным материалом. Волос реагирует на воду, изменение pH, температуру, окислители, восстановители, поверхностно-активные вещества и компоненты косметических продуктов [1], [2].

При окрашивании краситель взаимодействует не с абстрактным «полотном», а с конкретной биологической структурой. Эта структура состоит из белков, воды, липидов, пигментов, следовых элементов и межклеточного мембранного комплекса. Каждый из этих компонентов влияет на проникновение молекул, скорость реакции, равномерность окрашивания, стойкость цвета и риск повреждения волоса [1], [2], [3].

Поэтому химия окрашивания начинается не с тюбика красителя, а с понимания материала, на котором этот краситель работает.

2.2. Основные компоненты волоса

Волос состоит преимущественно из белковых структур. Основную роль играют кератины и кератин-ассоциированные белки. Они формируют внутренний каркас волоса, отвечают за прочность, упругость и устойчивость волокна к механическим нагрузкам [1], [2].

Кроме белков, в волосе присутствуют вода, липиды, пигменты и следовые элементы. Их доля может быть значительно ниже, чем доля белков, но функциональное значение очень велико. Вода влияет на набухание и пластичность волоса. Липиды участвуют в барьерных свойствах, гладкости и гидрофобности поверхности. Пигменты определяют натуральный цвет. Следовые элементы могут влиять на поведение окислителей и стабильность окрашивания [1], [2], [3].

Волос нельзя рассматривать как однородную массу кератина. Это организованная структура, в которой химический состав и пространственное расположение компонентов определяют поведение волоса при окрашивании.

2.3. Кератиновая основа волоса

Кератин — главный структурный белок волоса. В кортексе он организован в систему промежуточных филаментов, макрофибрилл и белкового матрикса. Такая организация придаёт волосу прочность и одновременно определяет его реакцию на воду, тепло и химические процедуры [1], [2].

Особое значение имеет аминокислота цистеин. Остатки цистеина могут образовывать дисульфидные связи, которые являются одной из причин механической устойчивости волоса. Эти связи особенно важны при процедурах, связанных с изменением формы волоса, обесцвечиванием и другими redox-процессами [1], [4].

Окислительные процедуры направлены прежде всего на изменение пигментной системы волоса, но при интенсивном воздействии они затрагивают и белковую структуру. При обесцвечивании дисульфидные связи могут окисляться с образованием цистеиновой кислоты, что связано с необратимым повреждением кератинового материала [4], [5].

Это объясняет, почему осветление нельзя рассматривать только как удаление цвета. Оно изменяет химическое состояние самого волокна.

2.4. Связи, удерживающие структуру волоса

Структура волоса поддерживается несколькими типами химических и физических взаимодействий.

Дисульфидные связи относятся к ковалентным связям и играют важную роль в устойчивости кератиновой структуры. Их изменение лежит в основе многих химических процедур, включая завивку, выпрямление и частично повреждение при сильном окислении [1], [4].

Водородные связи более слабые, но многочисленные. Они чувствительны к воде и температуре. Именно поэтому влажный волос меняет механические свойства, становится более пластичным и легче деформируется [1], [2].

Ионные взаимодействия зависят от pH среды. При изменении кислотности или щёлочности меняется заряд белковых групп, что влияет на набухание волоса, адсорбцию веществ и взаимодействие с компонентами красителя [1], [2].

Гидрофобные взаимодействия связаны с неполярными участками белков и липидов. Они участвуют в сохранении плотности структуры, снижении избыточного проникновения воды и поддержании барьерных свойств волоса [2], [6].

При окрашивании все эти связи не исчезают одновременно, но условия процедуры могут изменять их состояние. Поэтому результат окрашивания зависит не только от формулы красителя, но и от того, насколько сохранена внутренняя организация волоса.

2.5. Вода в волосе