はじめに
透明から黒まで、虹のすべての色を含むネイルジェル（硬化するもの）とネイルポリッシュ（自然乾燥するもの）の市場は、多種多様な製品を提供している。最初の選択基準は美的なものであることが多いが、消費者は実用的で、希望通りの仕上がりと性能を備えた製品も求めている。そのためには、完璧なネイルジェルやポリッシュは、ブラシで簡単に塗れるような比較的液状の感触でありながら、爪の外に流れ出ないものでなければならない。乾燥や硬化にかかる時間はできるだけ短く、滑らかな表面で完璧な仕上がりになることが望ましい。最後に、マニキュアが長持ちし、落とすのが難しすぎないことも望ましい。
ネイルジェルの種類によっては、硬化にUVランプが必要なものもある。これらの製品には光開始剤が含まれており、ランプから発せられる適切な波長にジェルが触れるとすぐに硬化反応が始まる。
ランプの照射時間、波長、強さは、ネイルジェルが正しい方法で硬化するために非常に重要である。
実験的
3種類のネイルジェルのUV硬化を2つの異なる方法で特徴付けた：
- 示差走査熱量測定（DSC）：硬化の速度と時間に関する情報を得るために使用。
- 回転レオメーター：UV照射中のネイルジェルの弾性率変化を測定。
試料の色は赤、黒、透明。クリア試料にはグリッターが浮遊していた。
表1は、3つの異なる試料を試験した条件をまとめたものである。
表1：測定条件
| DSC | 装置 | DSC 300Caliris Hモジュール付き |
|---|---|---|
| 試料質量 | 3.0 mg | |
| 容器 | Concavus®アルミニウム、オープン | |
| 温度 | 30℃（等温） | |
| 雰囲気 | 窒素（20 ml/分） | |
| ランプ | OmnicureS 2000（波長範囲：320～500 nm） | |
| 露光時間 | 180 s | |
| 回転レオメーター | 装置 | キネクサス |
| 形状 | PP8 (プレート/板, 直径: 8 mm) | |
| ギャップ | 250 μm | |
| 使用温度 | 25°C | |
| 雰囲気 | 大気 | |
| ランプ | OmnicureS 2000（波長範囲：320～500 nm） | |
| 合計時間 | 30 s |
DSC - 機能原理
ISO 11357に基づく熱流束DSCは、試料るつぼに流入する熱流量と参照るつぼに流入する熱流量の差を、温度および/または時間の関数として決定する技術です。このような測定の間、試料と参照試料は、同じ制御された温度/時間プログラムと雰囲気にさらされます。
回転レオメーター（振動測定） - 機能原理
上部プレートは、定義された周波数 f [Hz] (またはω [rad/s]) と振幅 [%] (またはせん断ひずみγ [%]), γ = γo + sin (ωt) で振動する。
この振動に必要なせん断応力σ [Pa]は、σ = σ0 + sin(ωt+δ)となります。
結果：試料の粘弾性特性、特に複素剛性G*（｜G*｜単位：[Pa]）が決定されます。
G*の「同相」部分は粘弾性材料の弾性率（→G'、貯蔵せん断弾性率）、「逆相」部分は粘弾性材料の粘性率（→G''、損失せん断弾性率）に関係します。
熱分析と硬化速度
硬化効果は発熱（発熱性）の形でDSC曲線に観察される。UVランプを備えたDSC（光DSC）を使用する場合、硬化反応は熱またはUV光によって開始される。
図1は、3種類のネイルジェルのUV照射中に得られた光DSC曲線を示している。ピーク面積は硬化エンタルピーを表す。この値が高いほど、反応中に放出されるエネルギーが大きいことを意味する。
グリッターを含む透明な試料は、最も高い反応エンタルピー（211 J/g）を持つ硬化ピークを持っている。だからといって、反応が終わるまでに他の2つよりも多くの時間を必要とするという意味ではない。実際、ピークが最大に達する前の曲線の傾きが示すように、最も急速に反応するものでもある：この材料では最も急勾配である。3つの試料の転化率を示した図2は、この結果を示している。最大ピーク値が高いほど、また最大ピークに達する前の傾きが急であるほど、転化速度は速い。その結果、グリッター入りの透明試料では硬化が最も速い（ピーク最大値はUV光照射後11.5秒ですでに到達しており、7.0%/秒の最高変換率に関連している）。
対照的に、黒色試料は逆の挙動を示す。反応は最も緩やかで（ピークが最大になる前の曲線の傾斜はより緩やかで、12.3秒でピークが最大3.8%/sの変換率曲線に至る）、最も低いエネルギー放出（127 J/g）と関連している。
赤いネイルジェルは、反応速度と硬化エンタルピーの両方で、他の2つの間の硬化挙動を示した。
図3は、3つの試料の複素弾性率曲線を示している。硬化前は、どの試料も70～80 Paの同程度の剛性を有している。弾性率の著しい増加は、硬化が始まったことを示しています。DSCと同様に、曲線の傾きは反応速度に関連している。結果はDSCで得られたものと相関しています。グリッター入りの透明ネイルジェルは最も早く硬化し、黒色試料は3つの試料の中で最も遅い硬化を示しました。
試料は最終的な弾性率も異なる。グリッター入りの透明ゲルの弾性率は、硬化中に60年増加するのに対し、黒ゲルは40年未満である。これは、透明ゲルが硬化後に最も高い剛性を示すことを意味する。
さらに図4は、黒色試料の紫外線照射下での硬化過程におけるG'、G''およびδの曲線を示している。測定開始時、粘性せん断弾性率（G"、青）は弾性せん断弾性率（G'、赤）よりも高い。位相角は高い（80°以上）。これは、この測定条件下では、硬化前のネイルジェルはほとんど完全な粘性液体のように振る舞い、非常に弱い弾性特性しか持たないことを意味します。
硬化反応により、G'とG''の両方が増加する。これらはUV照射の7秒後にクロスオーバーする。実際には、このクロスオーバーは、この時点から、硬化によって構築されたネットワークが、1Hzに対応する時間スケールでの材料の流動を防止するのに十分な強度を持つことを意味する。測定終了時、G'とG "の曲線は、この上昇が顕著ではないにせよ、まだ上昇している。UV光の照射によって硬化プロセスが開始され、ランプのスイッチを切ってもそのプロセスは継続する。
位相角
位相角δ (δ = G''/G') は、材料の粘性と弾性特性の相対的な尺度です。完全な弾性材料の0°から完全な粘性材料の90°までの範囲です。
硬化速度が速いと試料は良くなるのか？
硬化が早いことは消費者にとって有利である。しかし、塗布後のマニキュアの最終的な特性ももちろん重要である。硬化後の振幅掃引は、ジェルの内部構造に関する情報を提供することで、硬化後のジェルの挙動を予測するのに役立ちます。
そのために、2つの極端な試料（グリッター入りクリアとブラック）の線形粘弾性領域を図5で比較した。
黒色ネイルジェルのLVER-plateauは、透明試料よりも低弾性率で広くなっており、硬化した黒色ジェルがより柔軟である可能性が高いことを示している。
仮にクリアジェルがブラックジェルより早く硬化したとしても、よりもろい特性を示すことになる。
LVER - 線形粘弾性領域（LVER
- LVERは、ひずみと応力が比例する振幅範囲である。
- LVERでは、加えられる応力（またはひずみ）は構造破壊を引き起こすには不十分であり、したがって微細構造も破壊される。
結論
DSCと回転レオメーターは、ネイルジェルの硬化を評価するための補完的な2つの方法です。
どちらの方法でも、硬化速度が強調されます。DSC 300Caliris は、硬化中に放出されるエネルギーに関する情報を提供し、Kinexusによる測定は、硬化中と硬化後の異なる製品の特性を比較します。