寒天ゲル内への染料の浸透に及ぼす寒天濃度, 染料濃度
および時間の影響小川裕耶 1), 米山雄二 2)1)

文化学園大学大学院 生活環境学研究科（〒151-8523 東京都渋谷区代々木 3-22-1）

2)

文化学園大学 服装学部（〒151-8523 東京都渋谷区代々木 3-22-1）

Effect of the Concentration of Agar gel and Dye solution, and Contacting Time on
Dye Penetration into the Agar gel
Yuka Ogawa１, Yuji Yoneyama２
Abstract

Dye penetration into the amorphous parts of plastics was investigated by contacting agar gel withdye solution. The color values, a* and b*, of the agar gel that were penetrated by the dye solution
were measured using a spectrophotometer. The concentration of dye in the agar gel wasdetermined from the relationship of dye concentration vs. color values. The penetration amountof dye decreased with increasing concentration of the agar gel, and increased with increasing
concentration of the dye solution. In addition, the penetration depth of dye increased withincreasing contact time between the agar gel and dye solution. In conclusion, the factors affecting
dye penetration in plastics were determined via spectrophotometry using agar gel as a model forthe amorphous parts of polymers.

Keywords：Dye, Penetration, Agar, Gel, Color Value
Received July 6, 2022; accepted September 12, 2022
1)Bunka Gakuen University Graduate School of Fashion and Living Environment Studies (〒151-85233-22-1 Yoyogi, Shibuya-ku, Tokyo)
2)Bunka Gakuen University Faculty of Fashion Science (〒151-8523 3-22-1 Yoyogi, Shibuya-ku, Tokyo)

7

１ 緒⾔
白い合成皮革製のソファにジーンズの色が移ることや, ビニール製バッグの保管中に他の衣類から色が移り汚れてしまうことがある. このような現象は「色移り」と呼ばれ, 染料が合成樹脂内部に染み込むことにより発生し, 極めて落としにくい汚れとなる. 染色とは繊維の中に染料が浸透していく現象であり, 「色移り」と似た現象であるといえる. 繊維の内部には, 高分子の結晶部分と非結晶部分があり, 染料は高分子の非結晶部分に浸透していくと考えられている.
我々は先の検討 1)において, 染料が高分子材

Fig. 1 Agar gelation

料の非結晶部分に浸透していく現象について
種々の高分子材料を染料溶液に浸漬し, 染料分り, 冷却されると一重または二重のヘリックス子が樹脂へ移動する様子を表面反射率の測定か構造を形成し, これらが互いに平行に多重ヘら検討した. その結果, 高分子材料への染着のリックス状に集合する. そして, この集合体がしやすさは高分子材料の硬さと関係し, 「色移繋ぎ合わさり, 直径 50 nm～200 nm 以上の空洞り」が高分子材料中の非結晶部分へ移動する現を持つ繊維が三次元網目構造を作り, ゲルが形象であることを把握した. しかし, この検討に成される. これらは水素結合で相互作用していおいては表面反射率の測定による高分子材料のるため, 加熱すると再び液状になる 3).

表面における染料の存在が確認できるのみで,この網目構造を, ポリウレタンなどの高分子染料が高分子材料の内部に浸透した量を把握す材料中の非晶質部分の空隙のモデルとして内部ることができなかった.

へ染料が浸透する様子の観察に用いた.

そこで我々は寒天ゲルを高分子材料の非結晶寒天ゲルは濃度に比例して硬さが変化する 4）部分のモデルとして用い, その内部への染料のことから, 濃度の違いにより網目構造の密度を浸透現象の測定を試みた.

変化させることができると考える.

寒天は, 海藻から抽出した多糖を原料として本研究では高分子材料中の非晶質部分の空隙いる. その主成分はアガロースであり, 化学構のモデルとして寒天ゲルを使用し, 網目構造の造はセルロースのような多糖類構造である. 寒違いによる染料の浸透の程度の違いを比較検討

天は85～95 ℃で溶解し, 40～52 ℃でゲルを形した. 染料の寒天ゲルとの界面からゲル内への成する性質を持つ. これらの温度は濃度や分子移動を測定し, 染料の浸透に及ぼす寒天ゲルの量, 温度変化の速度などの条件により変動する

濃度, 染料濃度及び, 時間の影響について実験2)を行った.

. 寒天の状態は, 溶液の場合では Fig.1 のように,アガロース鎖が拡散した状態で存在してお8２ 実験を含まない寒天ゲルの色彩値と, 染料で着色し２.１ 実験試料た試料の色彩値a*, b*を測定し, それぞれの差

寒天は試薬用（富士フイルム 和光純薬）のもΔa*, Δb*を求めた. Δa*, Δb*の値と,染料のを用い, 濃度は食用の際の標準濃度（0.66 %）濃度との関係を対数グラフにプロットして, 色を参考に, その0.5倍（0.33 %）
, 1.5倍（0.99 %）

彩値から寒天ゲル中の染料濃度を把握するための 3 段階とした. 染料は水溶性酸性染料（Acidの検量線を作成した.

Orange7 東京化成工業）を使用した. 分子構造を以下の Fig.2 に示す.

２.３ 寒天ゲル濃度の影響
濃度 0.33 %, 0.66 %, 0.99 %の寒天溶液を調製し, 2.2 と同様にそれぞれ 20 mL プラスチッ
ク管に注ぎ入れ, 上部にガラス栓をし, 7 ℃の冷蔵庫で 24 時間静置して寒天ゲルを作成した.
Fig.3 に示すように, プラスチック管の中でC16H11N2NaO4S（MW:350.32）

固まった寒天ゲルの上に, 2 mmol/L の染料溶液
10mL を静かに注ぎ入れ, 25 ℃に設定した空気

Fig. 2 Molecular structure of Acid Orange7恒温槽（ヤマト科学 IK41）内に 3 日間静置し,寒天ゲル内に染料を浸透させた.

２.２ 寒天ゲル中の染料濃度と色彩値との関係寒天を沸騰させた水に溶かし, 0.66 %濃度の寒天溶液を調製した. この寒天溶液に, 所定濃度（0.0～1.0 mmol）の染料を溶解して均一に着色した. 直径 22 mm のポリカーボネート製の管（以下プラスチック管）の下側をガラス栓で塞いだものに 20 mL 注ぎ入れ, 上部にガラス栓をし, 7 ℃の冷蔵庫内で24時間静置した. 固まっ

Fig. 3 Contacting agar gel with dye solution

た寒天ゲルを静かに押し出し, 厚さ 5 mm の輪切りにしたものを測定試料とした.試料の色彩値
は, 赤・緑色を表す a*, 黄・青色を表す b*を分所定時間後, 上層の染料溶液を除去し, 少量

光色彩計（SE6000, 日本電色）で測定した.染料の水でゲル表面から余分な染料をすすぎ, プラInterface between
gel and dye solution↓

Fig. 4 Agar gel cut into rings at 5mm intervals for measurement

9スチック管からゲルを押し出した. 染料溶液と３ 結果および考察接触していた界面を基点として, Fig.4 のよう

３.１ 寒天ゲル中の染料濃度と色彩値との関係に 5 mm 間隔の輪切りにし, 色彩値測定の試料寒天ゲルを着色した染料の濃度とΔa*, Δb*を作成し, 色彩値（a*, b*）を分光色彩計で測との関係を Fig.5 に示す. ゲル作成時の寒天濃定した.

度は 0.66 %とした.

染料が浸透した試料の色彩値と染料を含まな
い寒天ゲルのa*, b*との差Δa*, Δb*から, 2.2で作成した検量線より, ゲル内に浸透した染料濃度（mol/L）を求めた.
２.４ 染料濃度の影響
濃度 0.66 %の寒天溶液を調製し, それぞれ20 mL プラスチック管に注ぎ入れ, それらを7 ℃の冷蔵庫で 24 時間静置して寒天ゲルを作

Fig. 5 Relationship between Δa*, Δb* and theconcentration of Acid Orange7 in Ager Gel.

成した. プラスチック管の中で固まった寒天ゲ
ルの上に, 0.5, 1, 2, 4 mmol/L の染料溶液

Fig.5 より, 寒天ゲルに含まれる染料の濃度10mL を静かに注ぎ入れ, 25 ℃に設定した空気が 0.1 mmol/L まではΔa*とΔb*は増加を示し,恒温槽内に 3 日間静置し, 寒天ゲル内に染料をそれ以上の濃度ではΔa*はそのまま増加したが,浸透させた.

一方Δb*は 0.1 mmol/L を境に減少傾向が見ら

2.3 と同様に, 染料が浸透した試料の色彩値れた. この結果から, 寒天ゲルのΔa*とΔb*と,と染料を含まない寒天ゲルの a*, b*との差Δそこに含まれる染料濃度の関係を把握すること

a*, Δb*から, 2.2 で作成した検量線より, ゲができた. これを検量線に用いて, 以下の実験

ル内に浸透した染料濃度（mol/L）を求めた.

ではΔa*, Δb*の値から染料濃度（mmol/L）への換算を行った.

２.５ 静置時間の影響
濃度 0.66%の寒天ゲルを作成し, その上に,３.２ 浸透に及ぼす寒天ゲルの濃度の影響

2 mmol/L の染料溶液 10mL を静かに注ぎ入れ,プラスチック管の中に 0.33 %, 0.66 %,25 ℃に設定した空気恒温槽内に 1, 3, 7 日間0.99 %の 3 種類の濃度の寒天ゲルを作成し, そ静置し, 寒天ゲル内に染料を浸透させた.の上に濃度2 mmol/Lの染料溶液を注ぎ入れ3日2.3 と同様に, 所定期間静置後, 染料が浸透間静置した. 染料が浸透した寒天ゲルをプラスした試料の色彩値と染料を含まない寒天ゲルのチック管から押し出し, 輪切りにした試料の色a*, b*との差Δa*, Δb*から, 2.2 で作成した彩値（Δa*, Δb*）を分光式色彩計で測定した.

検量線より, ゲル内に浸透した染料の濃度

輪切りにした各試料に含まれる染料濃度を色（mol/L）を求めた.

彩値から求め, ゲルの界面からの距離と, 色彩値Δa*及びΔb*から求めた染料濃度との関係を
Fig.6 と Fig.7 に示す.

10

cm付近でピークを示した. その後再びモル濃度は低下し, Δa*と同様に界面から 4.5cm 離れた地点で染料濃度はほぼ 0 となった.
次に寒天ゲル濃度の違いによる影響を同じ界面からの距離で比較すると, 寒天濃度が高いほど染料濃度は低いという結果になった. また,寒天ゲル内へ染料が浸透する距離は僅かに短くなった.
寒天ゲル中の網目構造の隙間は 50～200 nm3）

Fig. 6 Concentration of Acid Orange 7 in agar gel
estimated from Δa* at the distance from theinterface of agar/dye stuff solution.

であり, 染料分子と比べると十分に大きい. しかし, ゲル濃度によって染料の浸透に違いが表れたことは以下のFig.8のモデルで示すように,寒天濃度による隙間の大きさの違いが考えられる.
網目構造を模式的に正方形として表すと, 寒天濃度 0.33 %の場合に正方形 3 個とし, 0.66 %は 6 個, 0.99 %を 9 個として円内に平面配置した.

Fig. 7 Concentration of Acid Orange 7 in agar gel
estimated from Δb* at the distance from theinterface of agar/dye stuff solution.

なお, 寒天ゲル 0.33 %及び 0.99 %濃度でもFig. 8 Schematic diagram of the gel

0.66 ％濃度の場合とほぼ同じ検量線であることが確認できたことから, 寒天ゲル0.33 %および,0.99 %濃度の場合も Fig.5 の検量線を用い, 色

すると, 円の大きさを 1 とすると, 各隙間の彩値からモル濃度を求めることとした.

面積の平均を求めると濃度0.33 %の場合に1/6,Fig.6 に示したΔa*に基づく染料濃度の変化

0.66 %の場合に 1/23, 0.99 %では 1/56 となり,を見ると, 界面（0.5cm）付近では寒天濃度

隙間面積は寒天ゲル濃度が高くなるに従って,0.33 %, 0.66 %の場合に染料濃度で1.0 mmol/L,減少することがわかる. 次に Fig.6, 7 におい

0.99 %の場合には0.8 mmol/L 程度を示した. そて, 0.33 %, 0.66 %, 0.99 %の濃度の寒天ゲルして, 界面から離れるに従い, 緩やかに低下し,それぞれに浸透した染料の総量を求めると、以界面から 4.5 cm で染料濃度はほぼ 0 となった.

下の Table 1 のようになった。

一方、Fig.7 のΔb*においては界面から離れると染料濃度が上昇し, 界面からの距離が 2.511

Table 1 Penetration amount of dye and gap size inagar gel
Penetration amountGap size instructure ofagar gel

Δa*Δb*

0.33 ％
Agar gel

0.00543mmol

0.00142mmol

1/6

0.66 ％
Agar gel

0.00485mmol

0.00122mmol

1/23

0.99 ％
Agar gel

0.00438mmol

0.00112mmol

1/56

Fig. 9 Concentration of Acid Orange 7 in agar
gel estimated from Δa* at the distance from theinterface of agar/dye stuff solution.

模式的に求めた隙間の大きさの変化と染料の移動総量の変化を見ると, ゲル濃度の増加によって隙間が小さくなり, 染料の移動量は減少したといえる. しかし, その関係は比例関係ではなく, 他の因子を含む何らかの関数になると思われる. 今後, 分子の大きさの異なる染料を用いて検討することで, この点を明らかにしてFig. 10 Concentration of Acid Orange 7 in agar
gel estimated from Δb* at the distance from theinterface of agar/dye stuff solution.

いきたい.
３.３ 浸透に及ぼす染料濃度の影響
プラスチック管の中に濃度0.66 %の寒天ゲル

ではゲル内濃度は 1 mmo/L 以上という結果を示を作成し, その上に濃度 0.5, 1, 2, 4 mmol/Lした. 寒天ゲル中の染料濃度は界面から離れるの染料溶液を注ぎ入れ 3 日間静置した. 染料がに従い低下し, 界面から 4.5 cm で染料濃度ほ浸透した寒天ゲルをプラスチック管から押し出

ぼ 0 となった.

し, 輪切りにした試料の色彩値（Δa*, Δb*）

一方, Fig10 に示すΔb*に基づく結果においを分光式色彩計で測定した. その時の染料の浸ては, 溶液濃度 0.5 mmol/L の場合では界面か透状況について, 染料溶液とゲルの界面からのらの距離が離れるに従ってゲル内濃度は緩やか

距離と, 色彩値Δa*及びΔb*から求めた染料濃に低下した.

度との関係をそれぞれ Fig.9 と Fig.10 に示す.

溶液濃度 1 mmol/L では界面から 1 cm, 2Fig.9 に示したΔa*に基づく染料濃度の変化

mmol/L では 2.5 cm, 4 mmol/L では 3 cm 離れたを見ると, 界面付近で染料の溶液濃度 0.5位置でそれぞれΔb*に基づくゲル内濃度のピーmmol/L の場合に, 寒天ゲル内の染料濃度は 0.1

クが観察された. そのピークの位置は, 溶液濃mmol/L 程度, 溶液濃度 1 mmol/L ではゲル内濃度が濃くなるに従って界面から離れるという結度 0.4 mmol/L, 溶液濃度が 2, 4 mmol/L の場合果になった. また, Δb*に基づく結果では, 溶

12液濃度が濃いほど, より離れた地点までゲル内プラスチック管の中に濃度 0.66 %の寒天ゲルを部へ染料の浸透が起こっている様子が観察でき作成し, その上に濃度2 mmol/L の染料溶液を注ぎた.

入れ所定期間静置した. 染料が浸透した寒天ゲルをプラスチック管から押し出し, 輪切りにした試

３.４ 浸透に及ぼす時間の影響

料の色彩値（Δa*, Δb*値）を分光式色彩計で測

寒天ゲル内に浸透した染料は, Δa*に基づく定した.

濃度は界面からの距離に従い減少したのに対し,その時の染料の浸透状況について, 染料溶液とΔb*に基づく濃度は界面から 2.5cm 離れた位置ゲルの界面からの距離と, 色彩値Δa*及びΔb*かでピークを示した. このピークの位置が静置時ら求めたゲル内濃度との関係を Fig.11 及び,間によって移動することを確かめるために, 静置Fig.12 に表す.

時間を1, 3, 7 日間とし, 2.3 と同様の試験を行っFig.11に示したΔa*に基づく濃度変化では, 静た.

置時間が長くなることによって, 減少曲線の傾きは緩やかになり, 染料の浸透が時間とともに多くなっていることがわかる.
Fig.12に示したΔb*のピークの位置は静置時間
が 1 日では 1.5 cm, 3 日では 2.0 cm, 7 日では 3.5cm となり, 時間と共に界面から離れた位置に移動することがわかった.

3.5 Δb*に基づく濃度ピークの出現原因
Δa*とΔb*に基づく濃度変化が異なった原因にFig. 11 Effect of the standing time on theconcentration of Acid Orange 7
estimated from Δa*

ついて, ひとつは赤味と黄味を示す 2 つの物質が存在する, すなわち幾何異性体の存在が考えられる. しかし, 幾何異性体はシス体に比べてトランス体の方が安定であり, また本実験の条件ではアゾ結合が回転してシス体を形成すること考えにく
く, 染料の殆どはトランス体であると考えられる.
従って, 幾何異性体の存在は原因ではないと考える.
そこで, Δb*に基づく濃度変化にピークが存在することについては, 染料溶液の濃度範囲をさらに広げて実験を行った. Fig.9, Fig.10 の結果にFig. 12 Effect of the standing time on theconcentration of Acid Orange 7
estimated from Δb*

染料濃度が 0.05, 0.1, 0.2 mmol/L と低い場合,逆に染料濃度 8 mmol/L と高い場合の条件を追加し, 各濃度の染料溶液を作成し, 実験を行った.

その結果を Fig.13, Fig.14 に示す.

13

示す赤味が強くなり, その結果 Δb*が示す黄味が測定されにくくなりΔb*値が減少するという測定の性質によるものと考えられる.

色彩値 a*及び b*は人の色覚に合う 3 刺激値を用いて計算されており, その 3 刺激値は分光分布を積算して求められたものである 5). このため, 界面近傍からピークまでの染料が高濃度である場合に赤味の影響でΔb*が抑えられ, Δb*にFig. 13 Concentration of Acid Orange 7 in agar gel
estimated from Δa* at the distance from theinterface of agar/dye stuff solution.

基づく染料の濃度変化のグラフにおいてピークが見られたと考えられる.

４ 結論
高分子の非晶質部分への色素の浸透について,寒天ゲルをモデルに用いて検討した. その結果,染料の移動を界面からの距離毎にゲルを分割し,界面からの距離と色彩値（Δa*, Δb*）からゲル内を移動した染料濃度が把握でき, それにより, 界面からの移動距離と濃度の関係を示すことができた. 但し, 色彩値の特性から検量線の適応範囲があることがわかった。
寒天ゲルが形成する網目構造の内部に染料がFig. 14 Concentration of Acid Orange 7 in agar gel
estimated from Δb* at the distance from theinterface of agar/dye stuff solution.

浸透するには, 染料溶液の濃度及び, 染料の分子の大きさと寒天ゲルの濃度, すなわち網目の立体構造が関与するとわかった.

Δa*はピークを示さず, 染料濃度は界面から近参考文献

いほど高い濃度を示し, 界面から離れるにつれそ1)小川裕耶, 米山雄二, 山縣義文, 材料技術研の値は低くなった. また, 染料濃度が高濃度であ究協会討論会要旨集, p.109-110(2019).

るほど多くの染料が浸透し, ゲル内の染料濃度は

2)長田義仁, K.デュセック, 柴山充弘, 浦山健

高い値を示した. 一方, Δb*の場合は染料濃度が治,“ゲルの科学”, p.81, 講談社(2020).

1.0 mmol/L 以上の場合にピークが見られ, 0.53)長田義仁, K.デュセック, 柴山充弘, 浦山健

mmol/L 以下の場合にはピークを示さなかった. 一治,“ゲルの科学”, p.82, 講談社(2020).

定の色彩値以上の場合にΔb*の結果がピークを示

4)中浜信子, 家政学雑誌, 17, 4, p.5-10

すことから, この現象は色彩測定の特性の影響で(1966).

はないかと考えた.

5)小林信治,“色彩化学入門”, 日本色研事業

つまり, ゲル内の染料濃度が高くなるとΔa*がp.66(2003).

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