中華民國第四十四屆中小學科學展覽會
作者說明書
高中組化學科
040219
國立陽明高級中學
指導老師姓名
湯欣儀
作者姓名
張濡惠
陳卉潔
1
你跟誰有染
壹、 摘要:
利用藥用雙氧水將頭髮的黑色素褪去及生活中常見的食材(例如檳榔、咖哩、茶
葉……)自製染髮劑。在天然的食材中,發現以檳榔、咖哩的染髮效果最好,接著,我
們更在自製的染髮劑中添加乳液、檸檬目的是使頭髮更易染色、改善染髮後的粗操髮質
且方便使用。
貳、 研究動機:
近年人們除在裝/妝扮上能做一些變化之外,在頭髮上做一些顏色的變化也是一不錯
的選擇。因此,染髮儼然成為一種流行趨勢,可以變化各種的造型,偶爾讓人家看了眼
睛一亮。
但上美容院價格昂貴,且一些化學成分的存在讓一些體質敏感的人對於染髮是望之
怯步,這一些化學成分在頭髮中會殘留多久,目前不得而之;染髮劑上的化學成分,是
否會順著頭皮進入頭髮之中,對人體造成傷害目前也難以臆測。所以,若能自生活之中
找尋一些天然染髮的物質,除了價格低廉之外,也可以將化學物質對於人體的傷害降到
最低。
參、 研究目的:
一、 比較一般藥用的H2O2(aq)與染髮劑之第二劑所用的H2O2(aq)有何差別
二、 雙氧水濃度對頭髮褪色效果的影響
三、 溫度對於雙氧水褪色效果的影響
四、 是否只要具有顏色的花朵皆具有染色效果
五、 頭髮顏色對於以鳳仙花當染髮劑的染色效果影響
六、 染色次數與植物性染色劑呈色效果之間的關係
七、 其他有色食品與染髮之關聯性
八、 稠化過程與染髮劑的染色效果
九、 pH 值與染髮劑的染色效果
十、 白色的動物毛髮對於染色效果之影響
肆、 研究材料及器材:
燒杯 玻棒 加熱板 磁石 染髮用雙氧水
藥用雙氧水 頭髮(黑) 檳榔子 乳液 鳳仙花(橘)
洋蔥皮 咖哩粉 咖啡渣 茶葉渣 檳榔(青仔)
檸檬 黑豆
伍、 研究過程及
方法
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:
一、 蒐集市售染髮劑的成分:
(一)我們蒐集 2 種市售常見的品牌:鳳 一
般而言,染髮產品大多有染髮主劑
二、 分析染髮劑之染髮原理:
根據染髮劑的染色原理,可以分成: ,
分列如下:
(一)暫時性色彩染髮:
使用分子量較大的染料為主,因為分子量較大,所以只會覆蓋在頭髮的表層,
並不會滲入毛小皮而嵌於毛皮質之間隙,是單純吸附式的染髮,可以輕易的由一到
二次的洗髮程序,而完全將其色料洗去。暫時染髮劑使用較為便捷,且較為安全對
於頭髮的傷害性較低;但是在淋雨或流汗之後,卻可能造成染劑的流失,造成髮色
的不均。
中奇緣及玩弄色彩,並分析其內容 。發現:
、鹼劑、溶劑、界面活性劑、添加劑。
暫時性色彩染髮、半永久染髮、永久性染髮
圖一:為暫時性色彩染髮的理論圖。以較大的色素覆
蓋在毛磷片的外層,無法直接進入皮質層所以顏色在
清洗一到二次之後,逐漸消失。
圖二:為暫時染髮劑之常用分子。此類分子具多個磺
酸基(-SO3-),可增加其在水中之溶解度,同時此類分
子較大,所以不易滲入皮質,只覆蓋頭髮表層,故易
將之洗除。
2
(二) 半永久染髮:
此種染髮劑的染料分子較暫時性染髮劑之染料分子小,所以可以藉由擴散、滲
透的方式,透過毛小皮層到達毛皮質而定色。但是由於是藉由擴散、滲透的方式,
透過毛小皮層到達毛皮質,所以有同樣的機會擴散出毛小皮之外而掉色。因此在經
過 5、6 次的洗髮之後,染髮劑的顏色會自然褪去。
圖三:為半永久染髮的理論圖。以輕度的氧化作用,
讓色素進入毛鱗片及皮質的表層,但是經過洗髮精五
到六次的清洗之後,及可以完全將色素褪去。
(三)永久性染髮:
此一類型染髮劑的染色方式,是直徑很小分子,以擴散、滲透的方式進入毛皮
質之中,且在毛皮質中發生「氧化反應」,形成較大的染料分子,而此大分子會嵌
入頭髮的纖維中。因為發生氧化反應而呈色,所以又稱之為氧化型染髮劑。氧化型
染髮劑,其氧化後的染料分子較原來大很多,所以不會因為洗滌而流失,可以長久
保有該染料色澤,故稱為「永久性染髮劑」。
(c) (a) (b)
圖四-(a)、(b)、(c):為永久性染髮的理論圖,三圖分別為
a. 色素結合染髮劑之後開始進入皮質
b. 色素開始加強氧化及膨脹
c. 色素已經膨脹完全,且已經無法褪出皮質層
3
(b)
(a)
圖五-(a)、(b):為永久染髮劑之常用分子。這一類的分子較小較易
進入頭髮的鱗片之中,形成永久染色的現象,但是這一類物質較大
之毒性。
三、 實驗步驟:
染髮的過程常使用雙氧水褪色,所以若能將藥用的H2O2(aq)代替染髮用H2O2(aq),
可以方便染髮的過程,故我們設計如下《實驗一》:
《實驗一》:比較一般藥用的H2O2(aq)與染髮劑之第二劑所用的H2O2(aq)有何差別
實驗步驟:
1. 將黑色未染色的頭髮分別放入染髮用H2O2(aq)、藥用H2O2(aq)中
2. 室溫下,靜置 40 分鐘後,觀察其顏色變化
結果說明及推論
1. 實驗 實驗方便起見,
我們
2. 雙氧 .5 之間。當使用
雙氧
髮漂
3. 一般
氧水
體的
影響
:
發現:兩種雙氧水對於黑色頭髮皆有褪色效果,所以為
之後所做的實驗皆使用藥用H2O2(aq),便宜又方便。
水是H2O2的水溶液為一種常見的氧化劑,pH值在 2.5~4
水為染髮的氧化劑時,會破壞頭髮毛皮質與毛髓質的黑色素部分而使頭
白,使染髮劑更容易呈色。
藥用H2O2(aq)濃度為 30﹪,有殺菌及消毒的效果。如果將 30﹪濃度的雙
直接接觸在人體的皮膚上,會有灼熱、刺痛的感覺。因此,直接用在人
染髮上,雙氧水濃度是十分重要的。針對雙氧水濃度對頭髮褪色效果的
設計了《實驗二》:
4
5
《實驗二》:雙氧水濃度對頭髮褪色效果的影響
實驗步驟:
1. 將雙氧水的濃度調整成 30、15、7.5、3.75、1.825 ﹪
2. 將黑色的頭髮分別放入雙氧水中,並且將溫度設定為 40℃
3. 觀察 10、20、30、40、60 分鐘時,頭髮顏色的變化,並記觀察結果
結果說明及推論:
1. 實驗中,黑色的頭髮無論放在 30、15、7.5、3.75、1.825﹪濃度的雙氧水中經
過 30 分鐘之後,頭髮中的黑色素都會明顯的被褪去。若是將加熱的時間加
長,褪色的效果不會更明顯。
2. 為了想知道,髪中的黑色素是不是不能夠再被褪色,將其中一些頭髮繼續放
在雙氧水之中,一星期之後,發現頭髮中的黑色素被完全褪去,呈現白色的
髮絲,但是此時的頭髮輕輕一拉即斷裂,表示雙氧水不只會褪去髮中的黑色
素,也會破壞頭髮中蛋白質原來的鍵結。
3. 為了之後的實驗方便,所有的頭髮在褪色時皆採用濃度 15﹪的藥用雙氧水為
褪色劑,不但可以有良好的褪色效果、節省褪色所需要的時間,且對於皮膚
的傷害較輕微。
《實驗三》:溫度對於雙氧水褪色效果的影響
實驗步驟:
1. 使用濃度 15﹪的雙氧水為褪色劑,並將黑色的頭髮放入
2. 將溫度控制在 30、45、60、75、90 度
3. 觀察 10、20、30、40、60 分鐘時,頭髮顏色的變化
實驗結果:
1. 整理如下:
30℃ 45℃ 60℃ 75℃ 90℃
10 min - - - * **
20 min - - - * ***
30 min - - - ** ***
40 min - - * *** ***
60 min - * ** *** ***
「-」表示無褪色效果 「*」表示褪色效果不明顯
「**」表示褪色效果明顯 「***」表示褪色效果極明顯
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結果說明及推論:
1. 實驗的溫度若是設定在 30℃時,褪色的效果不明顯。但是溫度若是高達 75
及 90℃時,極短的時間就可以達到褪色效果,但是對於頭髮髮質的傷害卻很
大,甚至出現「嚴重捲曲」現象;再者若用於人體時,人體的頭皮也無法承
受如此的高溫,所以在溫度在 75℃以上時並不適宜作為染髮溫度。故在往後
的實驗中,溫度均為 45℃。
根據科學的相關書籍,發現最早的天然染既是鳳仙花的汁液染在指甲上,指甲就
染成猩紅色彩。因此,我們大膽的假設:只要有顏色的花皆可染頭髮,設計《實驗四》:
《實驗四》:是否只要具有顏色的花朵皆具有染色效果
實驗步驟:
1. 尋找日常生活中常見且具有顏色的花:鳳仙花、菊花、孔雀草等,加水搗碎,
並且用大火煮沸之後小火煮約 30 分鐘,過濾之後取其汁液
2. 取四個瓶子分別標上 A、B、C、D
A 瓶 放入鳳仙花+頭髮 C 瓶 放入菊花(紫)+頭髮
B 瓶 放入菊花(黃)+頭髮 D 瓶 放入孔雀草+頭髮
3. 放置一時間之後,將頭髮取出並且用洗髮精加以洗淨,觀察其顏色變化
結果說明及推論:
1. 發現除了 A 瓶中的頭髮顏色變為較深之外,其餘 B、C、D 瓶中頭髮的顏色
幾乎無顏色改變。我們推測,此次實驗失敗的原因可能為:
a. 頭髮顏色太深,顏色變化不明顯。
b. 所選用的花朵中所含的色素對於頭髮根本無染色效果。
2. 為解決《實驗四》中是否由於頭髮的顏色過深,造成無法觀察染色效果的疑
慮,我們利用雙氧水先將頭髮中的黑色素褪去,再一次實驗,並觀察頭髮的
顏色變化,根據這一種想法我們設計了《實驗五》。
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《實驗五》:頭髮顏色對於以鳳仙花當染髮劑的染色效果影響
實驗步驟:
1. 將鳳仙花,加水搗碎,大火煮沸之後小火煮約 30 分鐘,過濾後取其汁液
2. 將頭髮先行以雙氧水褪色之後再加入鳳仙花的汁液中
3. 靜置一段時間之後,並觀察其顏色變化
實驗結果:
1. 實驗結果,整理如下:
鳳仙花汁液 + 頭髮(未褪色) *
鳳仙花汁液 + 頭髮(褪色) *
「*」表示染色效果不明顯
結果說明及推論:
1. 實驗中發現:無論是以褪色頭的頭髮進行染色或者未褪色的頭髮進行染色,
都無法使鳳仙花的顏色明顯的在頭髮上呈色。我們認為產生此現象的原因可
能有 2 種:
a. 鳳仙花顏色太淡,即使已經染在頭髮上也無法用肉眼分辨。
b. 鳳仙花是屬於天然的植物,所以其色素亦屬於天然的色素。根據相關文
獻,若使用的色素為天然色素,其吸附力較化學合成的色素差,所以需
要經由長時間的染色,呈色效果會較為明顯。
2. 為證明上述 b 的推論:染色次數與植物性染色劑呈色效果之間的關係,我們
設計了《實驗六》。
《實驗六》:染色次數與植物性染色劑呈色效果之間的關係
實驗步驟:
1. 將鳳仙花,加水搗碎,大火煮沸之後小火煮約 30 分鐘,過濾之後取其汁液
2. 將 5 份褪色的頭髮及指甲放入鳳仙花的汁液中,溫度控制在 45℃,時間為
90 分鐘
3. 90 分鐘之後將頭髮取出以洗髮精清洗過後、吹乾,並且重複 4 次,觀察其
髮色的變化
實驗結果:
1. 整理如下:
第一次 第二次 第三次 第四次 第五次
頭髮 * * * * *
指甲 ** ** ** ** ***
「*」表示染色效果不明顯 「**」表示褪色效果明顯
「***」表示褪色效果極明顯
結果說明及推論:
1. 實驗發現:鳳仙花染在指甲上有相當明顯的效果,但染褪色的頭髮上顏色卻
仍然不明顯。因指甲與頭髮的組成同為蛋白質,我們推測:鳳仙花是能夠染
髮的,但由於鳳仙花的顏色太淡,所以我們難以用肉眼分辨。倘若,我們可
以利用「白頭髮」來做染色效果,一定可以有明顯成效。
2. 探究鳳仙花為何具備染色能力,利用相關資料分析了化學染髮劑的成分及鳳
仙花成分的相關性 現:
a. 鳳仙花中含
及槲皮素(q
,發
2-甲氧基 1,4-萘醯胺、黃酮類化合物:山奈醇(kaempferol)
uercetin) 、Lawsone,其大致結構如下:
槲皮素 山奈醇
lawsone 黃酮類
8
9
b. 觀察化學染髮劑的成分分子,皆有活潑的反應基團(如-NH2、-
OH……),可以與頭髮蛋白質產生一些化學鍵結,生成新的化合物,
經由自然的光線照射,經由這一些物質的吸光及放光的過程,使頭髮
展現出美麗的色澤。
c. 由上面的兩個資料顯示,鳳仙花中的 1,4-萘醯胺含有氨基(-NH2)、
黃酮類化合物、山奈醇(kaempferol)、槲皮素(quercetin) 及 lawsone,
這與化學染劑的化學成分相仿,而現代的文獻已經證明:鳳仙花具有
染色效果的原因是「lawsone」存在,而lawsone的結構的確與化學染劑
的成分分子結構相似。
《實驗七》:其他有色食品與染髮之關聯性
實驗步驟:
1. 取洋蔥皮、咖哩、茶葉、咖啡、黑豆、檳榔子(中藥店)及檳榔加入適量的
水,以大火煮沸 10 分鐘,小火煮 30 分鐘
2. 將 5 份褪過色的頭髮放入步驟 2 的溶液中,溫度控制在 45℃,時間為 90 分
鐘
3. 90 分鐘之後將頭髮取出以洗髮精清洗過後、吹乾,並且重複 4 次,觀察其
髮色的變化
實驗結果:
1. 整理如下:
第一次 第二次 第三次 第四次 第五次
洋蔥 * * * * *
咖哩 ** ** ** ** **
茶葉 — — — * *
咖啡 * * * * *
檳榔 ** ** ** ** **
檳榔子(中藥店) * * * * *
黑豆 — — — — —
「-」表示無染色效果 「*」表示染色效果不明顯
「**」表示染色效果明顯
結果說明及推論:
1. 分析染色物質的成分:
a. 洋蔥皮:硫磺類化合物、類黃酮、揮發性油等成分
b. 茶葉和咖啡:咖啡因(coffeine;C H N O )8 10 4 2 、茶鹼、單寧(tannins)
c. 檳榔:檳榔素(Arecin)、單寧酸、檳榔定(Arecaidine)、檳榔酮
(Arecolone)
結果發現在我們所選用的這一些染劑之中,其成分裡大多含有酮類及一些單
寧(結構如下圖),而單寧的化學結構中含有許多活潑的-OH 基。
2. 查閱一般坊間植物染的資料,發現植物性染髮劑,一部分是利
來當成染色劑,而何首烏中所含的成份全是酚類化合物(gal
catechin,procyanidin,emodin,galloylcatechin 以及 gallotann
們所選用的染色物質中的某一些成分相似,所以我們認為:洋
茶葉、咖啡及檳榔具有染色效果。如果實驗成功,那不僅使一
含不能食用的部分)有新用途,且降低植物性染髮劑的成本(
貴)。
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單寧
用「何首烏」
lic acid,
in)結構與我
蔥皮、咖哩、
般的食物(包
何首烏價格昂
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3. 實驗中,將檳榔有包石灰的跟沒有包石灰的檳榔,分別搗碎,發現有包石灰
流出紅色的汁液,沒有包的則不行﹔隔了一天,沒有包石灰的檳榔的汁液一
樣成了紅色。我們推測:這些色素應該來自於檳榔的本身,加入石灰不過是
讓檳榔中的物質加速氧化還原反應,使原來無色的汁液快速的產生顏色的變
化﹔故即便是不加入石灰,檳榔在空氣中久置,亦會行氧化還原反應,會有
顏色產生。
4. 實驗中我們分別使用一般的新鮮檳榔和中藥店中的檳榔子,進行染色,染色
的結果並不相同。一般的新鮮檳榔若加入石灰時,會快速的被氧化成紅色。
檳榔子則是一種藥用的乾燥物品,需要較長的時間才能來進行氧化,所以檳
榔子的汁液不呈鮮紅色。故以新鮮檳榔的染色效果較好。
5. 實驗發現:咖啡渣和茶葉雖然是常聽到可染色的物質,但是染色的效果卻不
如預期的理想;檳榔及咖哩的染色效果十分明顯,臆測這可能與咖哩、茶葉、
咖啡及檳榔之中,所含的染色物質的量多寡有關,我們相信,重複相同的實
驗在洋蔥、茶葉與咖啡上時,染色效果會增強。
6. 「咖哩」為一般家庭中常見的食材,由於其本身的顏色是「黃色的」,所以
染在頭髮上時為黃色,而「黑豆」,雖然外表示黑色的,但無染髮的效果,
推測黑豆中所含的成分與咖哩或咖啡、茶葉中的成分並不相同。
7. 在發現洋蔥皮、咖哩、茶葉、咖啡及檳榔的汁液的確具有染色效果之後,我
們想要將染髮劑「稠化」,以方便一般使用,因此設計了《實驗八》。
《實驗八》:稠化過程與染髮劑的染色效果
實驗步驟:
1. 取洋蔥皮、咖哩、茶葉、咖啡、黑豆、檳榔子及檳榔加入適量的水,以大火
煮沸 10 分鐘,小火煮 30 分鐘。將其與乳液充分混合直至呈現黏稠糊狀。其
比例為:液體:乳液 = 3:2.5
2. 分別將 5 份褪過色的頭髮,放入染髮劑中,溫度控制在 45℃,時間為 90 分
鐘
3. 90 分鐘之後將頭髮取出以洗髮精清洗過後、吹乾,並且重複 4 次,觀察其
髮色的變化
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實驗結果:
1. 整理如下:
第一次 第二次 第三次 第四次 第五次
鳳仙花 * * * * *
洋蔥 * * * * *
咖哩 ** ** ** ** **
茶葉 — — — * *
咖啡 * * * * *
檳榔 ** ** ** ** **
檳榔子(中藥店) * * * * *
黑豆 — — — — —
「-」表示無染色效果 「*」表示染色效果不明顯
「**」表示染色效果明顯
結果說明及推論:
1. 為讓自製的染髮劑使用起來更佳的便利,使用乳液當成稠化劑,目的是增加
染髮劑的黏稠度。而選用乳液的原因在於:染髮劑的色素是屬於水溶性,而
乳液除了具有黏稠性之外,也是一相當優良的「界面活性劑」,因為乳液分子
中有一端可以抓住「水分子」,換句話說就是會將色素分子一併抓住,而乳液
的黏稠性可以附著在我們的頭髮上,讓染髮的過程更加方便。
2. 我們曾經使用過較便宜的「凡士林」來代替乳液,但是效果卻不盡理想,推
測:凡士林的保水性太過優良是問題之一,當凡是林充分與水分子(內含色
素)結合之後,由於保水性太好,無法色素分子再放出來,因此,染色效果
不佳。再者,若將凡士林當成稠化劑,則在染色完成之後,凡士林難自頭髮
上除去,故不適合用來當稠化劑。
3. 實驗發現:使用乳液當成稠化劑,進行染色,但是染色的效果卻不如預期理
想,可能是因為加入乳液之後,染色液體中的色素濃度會降低,所以染色效
果較差。
4. 實驗發現:雖然使用稠化劑的染色效果較差,但染後的頭髮髮質卻較佳,可
能與乳液具有滋潤、保濕效果有關。
溶液的酸鹼性對於染色效果會有影響,所以設計了《實驗九》,並選用
了咖啡及咖哩及檳榔做為染髮劑。
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《實驗九》:pH 值與染髮劑的染色效果
實驗步驟:
1. 同《實驗八》,過程中加入 30 c.c.檸檬汁
實驗結果:
1. 「未加入乳液當稠化劑+加入 30 c.c.檸檬汁」的染髮結果整理如下:
第一次 第二次 第三次 第四次 第五次
咖哩(褪色頭髮) ** ** ** ** **
咖啡(褪色頭髮) — * * * *
2. 「加入乳液當稠化劑+加入 30 c.c.檸檬汁」的染髮結果整理如下,:
第一次 第二次 第三次 第四次 第五次
咖哩(褪色頭髮) ** ** ** ** **
咖啡(褪色頭髮) — * * * *
「*」表示染色效果不明顯 「**」表示染色效果明顯
結果說明及推論:
1. 加入檸檬當成酸化劑染色效果較好,推測是檸檬酸讓液體呈酸性,有助於染
色的作用,進而達顯色效果。
2. 實驗發現,加入檸檬當酸化劑,不僅增加顯色效果,亦以軟化頭髮,讓頭髮
的髮質變好。無論是否加入是否加入乳液,pH 值的下降讓染髮效果明顯,這
結果與一般染髮劑相同。一般是受化學合成的染髮劑也是將其 pH 值調整到
酸性的狀態,以利於頭髮上色。
之前的實驗中,有一些染劑的染髮效果不佳,在此,我們選用與頭髮成分相仿的
「白色動物毛髮」來代替人類頭髮,觀察染色的結果,而設計了《實驗十》。
14
《實驗十》:白色的動物毛髮對於染色效果之影響。
實驗步驟:
1. 將褪色頭髮換成「白色動物毛髮」,其餘同《實驗八》,過程中加入 30 c.c.檸
檬汁
實驗結果:
1. 整理如下:
第一次 第二次 第三次 第四次 第五次
鳳仙花 * * * * *
洋蔥 * * * * *
咖哩 *** *** *** *** ***
茶葉 * * * ** **
咖啡 * * * * *
檳榔 ** ** ** *** ***
檳榔子(中藥店) * * ** ** **
黑豆 — — — — *
「-」表示無染色效果 「*」表示染色效果不明顯
「**」表示染色效果明顯 「***」表示染色效果極明顯
結果說明及推論:
1. 實驗中使用「白色動物毛髮」代替人頭髮,主因為:這些毛髮主成分皆為「蛋
白質」,只是其「胺基酸」的排列順序或者某一些胺基酸不同罷了!
2. 實驗發現:「白色動物毛髮」可以被大多數的染劑所上色,推測這些染劑亦
可染在人類的頭髮。只是頭髮上的黑色素較多,其呈色的效果不如預期顯
著。我們相信重複進行染色,效果就會逐漸顯現出來。
3. 實驗中黑豆不能染在「白色動物毛髮」上,可以說明,黑豆的成分與其他物
質差異性相當大。
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陸、 結論
一、以生活中常見的物質當成染髮劑方便、便宜,且可以使無法食用的食物有新用途。
亦將染髮對於髮質的傷害降到最低。
二、植物性的染髮劑須經多次的染色呈色才會較為明顯,故使用時須有耐心。
三、檳榔及咖哩,染色較果較為明顯,而且顏色較深的。我們認為:檳榔較適合將髮色
變黑;咖哩則將法色成褐色。
四、加入乳液方便染髮且減少染髮對頭髮所造成的傷害。
五、加入酸性物質可以使染髮的效果明顯,亦可軟化頭髮,頭髮的髮質會較好。
柒、 參考資料
一、姚大均編著 化學傳奇------讓生活更美好的科學 第一版 台北市
國際村文庫書店有限公司 P.44 2001 / 12
二、http://www.sesthete.com.tw/boo4.htm
三、http://www.chioubee.com.tw/main.htm
四、http://www.edu.tw/military/warondrugs/page-106.htm
五、有機化學
六、現代化妝品概論
七、洪偉章 李金枝 陳榮秀<化妝品原料及功能>,藝軒出版
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