Prof. Blumes Bildungsserver für Chemie


Tipp des Monats November 2017 (Tipp-Nr. 245)


Beim Experimentieren den Allgemeinen Warnhinweis unbedingt beachten.


Du hast die Nägel schön – Nageldesign mit UV-Licht

Sabine Streller
in Zusammenarbeit mit Maraike Ostermann und Marco Weese


Nagelstudios kennt inzwischen jeder – jedenfalls von außen. Seit einigen Jahren nimmt ihre Zahl vor allem in den großen Städten zu. In Deutschland soll es ca. 60.000 Nagelstudios geben, in denen jährlich zwischen fünf und sechs Milliarden Euro umgesetzt werden [1]. Schaut man durch die Fenster in die Studios hinein, sitzen dort hinter den Tischen meist junge Frauen mit Mundschutz. Die Atmosphäre ist eher steril und auf den Tischen stehen kleine Boxen, die blau leuchten. Nach Maniküre mit Nagelfeile und Nagellack sieht das nicht mehr aus…

Bild 1: Nagelstudio in einem Einkaufszentrum
(Foto: Streller)


Was passiert in einem Nagelstudio?
Nageldesignerinnen und -designer führen Nagelpflege durch und gestalten Nägel. Das heißt, sie modellieren die Nägel, führen Verlängerungen und Verstärkungen durch und verzieren sie mit Lack und Nagelschmuck, etwa Glitter, Sticker oder Glitzersteinchen [2]. Der Beruf der Nageldesignerin ist zwar kein geschützter Ausbildungsberuf, kann aber als Weiterbildung absolviert und mit einer Prüfung vor der Handwerkskammer abgeschlossen werden. Voraussetzung dafür ist eine abgeschlossene Berufsausbildung im Friseur- oder Kosmetiker-Handwerk [2]. In den Nagelstudios werden verschiedene Techniken und Nageltypen angeboten, etwa Acryl- oder Gelnägel. Wir wollen uns im Folgenden auf die Gestaltung von Nägeln mit Gel konzentrieren, denn bei dieser Technik kommen durch UV-Licht härtende Kunststoffe zum Einsatz.

Gelnägel gestalten – in groben Schritten

  1. Den Naturnagel kürzen, reinigen, desinfizieren und anrauen.
  2. Zur Verlängerung des Nagels einen sogenannten Tip (künstlicher Nagel) auf den Naturnagel kleben, kürzen und in Form bringen.
  3. Gelmodellage: Gel dick auftragen, um den Tip zu verstärken, dann für 2 Minuten unter UV-Licht halten, die klebrige Oberfläche mit Isopropanol abwischen und den Vorgang wiederholen.
  4. Nail-Art: In die Gelschicht können auch Glitzersteinchen eingebracht werden, die dann in dem ausgehärteten Gel fest verankert sind.

Da es kein geeignetes Lösemittel gibt, um die Gelschicht wieder zu entfernen, müssen Gelnägel letztlich vom Nagel heruntergefeilt werden.

Bild 2: Künstlicher Fingernägel mit Gel gestaltet – bestrahlt mit UV-Licht
(Foto: Streller)


Wie wird aus viskosem Gel eine feste Kunststoffschicht?
Schauen wir uns dazu die Liste der Inhaltsstoffe auf einem Gläschen Nagelgel an. Wir testen ein sogenanntes 1-Phasen-Gel, das sowohl für den Nagelaufbau als auch die Modellage verwendet werden kann.

Bild 3: Liste der Inhaltsstoffe auf einem Gläschen Nagelgel
(Foto: Streller)

Die erst genannte Substanz, Di-HEMA Trimethylhexyl Dicarbamat, ist der Hauptbestandteil des Gels (Bild 4). Mit HEMA wird die Hydroxyethylmethacrylat-Gruppierung im Molekül bezeichnet, die dort zweifach vorhanden ist [3]. Wir haben dieses Strukturmerkmal jeweils mit einem roten Kästchen gekennzeichnet. Das schwarze Kästchen umrandet die Methacrylatgruppe.

Bild 4: Struktur des Filmbildners im Nagelgel: 7,7,9-Trimethyl-4,13-dioxo-3,14-dioxa-5,12-diazahexadecan-1,16-diylbis(2-methacrylat)
roter Kasten: Hydroxyethylmethacrylat-Grupp (HEMA),
schwarzer Kasten: Methacrylatgruppe
(erstellt von Marco Weese)

Aus der Struktur des Moleküls – insbesondere der Methacrylatgruppierungen - können wir ableiten, dass diese offenbar geeignet sind, Vernetzungen einzugehen. Eine andere Substanz in der Liste der Inhaltsstoffe ist Hydroxycyclohexylphenylketon. Dabei handelt es sich um einen Photoinitiator. Da das Gel im UV-Licht aushärtet, sollte es sich also bei der Aushärtung dieses Nagelgels um eine radikalische Polymerisation handeln.

Der Reaktionsverlauf beginnt mit der Bildung von Radikalen aus dem Photoinitiator (1) α-Hydroxycyclohexylphenylketon durch den Einfluss von UV-Strahlung. Mit dem Kettenstart bindet das erste Monomer unter Auflösung einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung an ein Radikal (2). Das dabei entstehende neue Radikal wird nun solange um weitere Monomere ergänzt (Kettenwachstum (3-4)), bis es durch Reaktion mit einem weiteren Radikal zum Kettenabbruch (5) kommt.

Bild 5: Schematischer Ablauf der radikalischen Polymerisation im Nagelgel. Gezeigt ist die Methacrylat-Gruppe, mit „R“ ist der Rest des Filmbildners bezeichnet
(vgl. Bild 4; erstellt von Marco Weese)


Ein Unterrichtsvorschlag – Nageldesign mit UV-Licht
Zeitumfang: 2 Doppelstunden, geeignet für 11. Klassen

Ausgehend von einem Bild, das ein Nagelstudio zeigt, formulieren die Schülerinnen und Schüler erste Vermutungen zum Einsatz von UV-Lampen im Nagelstudio. Mögliche Vermutungen sind: „Die UV-Strahlung sorgt für eine Farbveränderung des Nagelgels.“, „Das Licht wirkt desinfizierend.“ sowie „Die UV-Strahlung sorgt für die Aushärtung des viskosen Nagelgels.“

Anschließend planen die Schülerinnen und Schüler geeignete Versuche zur Überprüfung ihrer Vermutungen. Zu erwarten sind Versuche, wie das Bestrahlen des Nagelgels mit UV-Strahlung nach dem Auftragen des Gels auf den (Kunst-)Nagel (Tip) bzw. das bloße Abwarten (ohne UV-Strahlung) nach dem Auftragen des Gels. Anschließend werden jeweils die Härte und die Farbe des Nagelüberzugs geprüft.

Wie beständig sind modellierte Gelnägel in alltäglichen Situationen?

In alltäglichen Situationen sind Kunstnägel und deren Modellage verschiedenen Einflüssen ausgesetzt, denen sie standhalten sollten. Ausgehend von dieser Fragestellung überlegen sich die Schülerinnen und Schüler in Gruppenarbeit, welche Eigenschaften der Modellagekunststoff aus ihrer Sicht aufweisen sollte und stellen die Ergebnisse anschließend vor. Als mögliche Einflussfaktoren bieten sich zur Überprüfung u.a. die Löslichkeit, Wärme und Kälte, verschiedene Strahlungsarten, mechanische Belastbarkeit sowie die Haushaltstauglichkeit an. Jede Gruppe entwirft eine Versuchsanleitung zur Überprüfung eines Einflussfaktors und stellt sie den anderen Gruppen für die folgende Experimentierphase zur Verfügung.


Zur Vorbereitung sollten mehrere Kunststoffnägel (Tips) bereits mit Gel bestrichen und gehärtet werden. Wir haben uns für farbiges Gel entschieden, da farbloses Gel optisch sehr schlecht vom Tip unterscheidbar ist. Hinweis: Die oberste Schicht des Gels ist klebrig, wenn die Nagelmodellage aus der UV-Lampe entnommen wird. Kräftig mit Isopropanol abreiben!

Versuch 1: Einfluss von Lösungsmitteln

Überprüfung: Die ausgehärtete Nagelmodellage wird für 3 Minuten in a) Wasser, b) Aceton, c) Ethanol gegeben.

Ergebnis: In Aceton: Der Kunststoffnagel löst sich, der Gelüberzug trennt sich dadurch vom Kunststoffnagel, löst sich selbst aber nicht. In Ethanol und Wasser sind keine Veränderung zu beobachten.

Bild 6: Tip mit Gelüberzug nach 2 Minuten in Aceton
(Foto: Streller)

Versuch 2: Einfluss von Wärme und Kälte

Überprüfung: Die ausgehärtete Nagelmodellage wird für drei Minuten in a) Eiswasser, b) siedendes Wasser gegeben und c) über eine Kerzenflamme gehalten.

Ergebnis: In kaltem und heißem Wasser ist keine Veränderung zu beobachten. Die Hitze der Kerzenflamme verformt den Kunststoffnagel, der Gelüberzug selbst schmilzt nicht. Der Nagel beginnt leicht zu brennen, außerdem entsteht eine Rauchentwicklung.

Bild 7: Tip mit Gelüberzug schmilzt und entflammt nach wenigen Sekunden über einer Kerzenflamme
(Foto: Streller)

Versuch 3: Einfluss von Strahlung

Überprüfung: Die ausgehärtete Nagelmodellage wird für 3 Minuten verschiedenen Strahlungsquellen ausgesetzt: a) UV-Licht, b) LED, c) Sonnenlicht.

Ergebnis: Bei Sonnenlicht und dem Licht aus der LED-Lampe ist keine Veränderung in der Farbe oder der Struktur zu beobachten. Bei einer weiteren Bestrahlung mit UV-Licht wird der Nagelüberzug spürbar härter.

Bild 8: Tip mit rotem Gelüberzug wird von Elftklässlerin mit LED-Licht bestrahlt
(Foto: Streller)

Versuch 4: Untersuchung der mechanischen Belastbarkeit

Überprüfung: Die ausgehärtete Nagelmodellage wird verschiedenen haushaltstypischen Belastungen ausgesetzt, wie Kratzen und Stoßen. Dies geschieht mit verschiedenen Geräten und Werkzeugen: a) Messer, b) Reibe, c) Sandpapier, d) Hammer.

Ergebnis: Die Nagelmodellage (Gelschicht und Kunststoffnagel) wird zerstört.

Bild 9: Tip mit Gelüberzug – bearbeitet mit einer Feile
(Foto: Streller)

Versuch 5: Untersuchung der Beständigkeit gegenüber Haushaltschemikalien

Überprüfung: Die ausgehärtete Nagelmodellage wird für 3 Minuten in a) Essig, b) Öl, c) Spülmittel, d) Badreiniger gelegt.

Ergebnis: In allen Fällen tritt keine wahrnehmbare Veränderung der Gelschicht auf.

Bild 10: Tip mit Gelüberzug – Einfluss verschiedener Haushaltschemikalien
(Foto: Streller)

Die Ergebnisse zeigen, dass Gelnägel eine recht hohe Stabilität für die meisten alltäglichen Situationen besitzen. Gefährlich werden Gelnägel am Finger, wenn offenes Feuer im Spiel ist. Sowohl der Kunststoffnagel als auch der Gelüberzug entflammen schnell und brennen sofort unter starker Rauchentwicklung.

Nach dem Vergleich der Ergebnisse und der Beurteilung der Eignung von Gelnägeln im Alltag, erfolgt die Klärung der dem Härtungsprozess zu Grunde liegenden Reaktion. Dazu kann das oben abgebildete Reaktionsschema als Arbeitsmaterial flexibel eingesetzt werden. In unserem Beispiel haben die Schülerinnen und Schüler das Reaktionsschema vollständig erhalten und waren aufgefordert den Prozess der radikalischen Polymerisation in einem Modell darzustellen. Dazu standen den Schülerinnen und Schülern verschiedene Materialien wie Büroklammern, Dominosteine, Knete, Gummibänder, Holzperlen und vieles mehr zur Verfügung (Bild 11).

Bild 11: Modell zur radikalischen Polymerisation – Schülerarbeit
(Foto: M. Ostermann)


Quellen:
[1] Weber, S.: Nagelstudio: Händchen fürs Geschäft. Die Zeit. Nr 27/2015 (Stand 3.7.2017, 13:36)
[2] Bundesagentur für Arbeit: Nageldesigner/in – Tätigkeit nach Weiterbildung. (Stand 3.7.2017, 13:39)
[3] Genter, M.-B.: Final Report of the Safety Assessment of Methacrylate Ester Monomers Used in Nail Enhancement Products, International Journal of Toxicology. 2016, 36 (3).


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Letzte Überarbeitung: 1. Oktober 2017, Fritz Meiners