ISSN 1349-2608
平成二十七年度

No.13(2016)栃木県元気ニコニコ室長

とちまるくん

平成２７年度研

究

報

告Reports of Industrial Technology Center of Tochigi Prefecture
研
究報
告— 発信します

明日を拓く

確かな技術 —

栃木県産業技術センター

栃木県産業技術センター

平成２７年度

栃木県産業技術センター研究報告
第１３号
Reports of Industrial Technology Center of Tochigi Prefecture
No.13 (2016)
発

行

発行所
〒321-3226

平成 28 年 8 月 9 日
栃木県産業技術センター
栃木県宇都宮市ゆいの杜 1-5-20
ＴＥＬ（028）670-3391
ＦＡＸ（028）667-9430

目

次Ⅰ 重点共同研究（実施：４テーマ）


ELID を援用した光学ガラスレンズの鏡面研磨技術の開発(光分野) ・・・・・・・・・・・・ 1

メガソーラー管理を目的とした自律走行ロボットの開発(環境分野) ・・・・・・・・・・・ 5



低環境負荷型凍結鋳型鋳造技術を用いた薄肉鋳物の開発(環境分野) ・・・・・・・・・・・11



県産果実ピューレの高品質化に関する研究（フードバレーとちぎ） ・・・・・・・・・・・16

Ⅱ

共同研究（実施：２０テーマ：一部非公開）※

高機能多結晶ダイヤモンド工具の高生産性・低コスト化技術を支援するための，大型焼結体製造技術と工具形状成型技術の開発※ ・・・20



植物育成を指向した多孔性ハイドロゲルの開発※ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・22



希土類酸化物含有ゼオライトを用いた排ガス浄化触媒の開発（第２報） ・・・・・・・・・25



省貴金属対応・小型・軽量・高性能 自動車排気ガス浄化装置の技術開発※ ・・・・・・・・30



ショウガ搾汁残渣の有効利用 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・32



大麦のダイレクトＧｅｌ転換による高付加価値加工技術の開発 ・・・・・・・・・・・・・36



トーションレースのインテリアへの応用 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・39

新規な還元抜染法の開発 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・43



CFRP の曲げ加工に関する研究 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・49



新型高炉セメントを用いたコンクリートの長期性状に関する研究 ・・・・・・・・・・・・52

結城紬染色生地見本帳の作成と新製品開発（第２報） ・・・・・・・・・・・・・・・・・58
非公開：９テーマⅢ

受託研究（実施：６テーマ）
酸化セリウムナノ粒子分散ゼオライトの樹脂用紫外線吸収材への応用 ・・・・・・・・・・61
非公開：５テーマ

－i－

－i－

Ⅳ

重点研究（実施：３テーマ）



光計測技術を応用したひずみ計測システムの開発（第２報） ・・・・・・・・・・・・・・65



プレス加工における面内引張応力援用による小径穴抜き加工に関する研究（第２報） ・・・68



液中レーザ局所改質法の開発とそれを用いた医療用ステンレス鋼の摩擦摩耗特性の向上 ・・71

Ⅴ

経常研究（実施：８テーマ）



鋼の低温脆性域におけるエンドミル切削加工 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・75



ハイドロゲルの農業生産における実用性研究 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・78



光硬化型塗料を利用した日光彫への塗装の検討 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・81

白鋳鉄の硬さに及ぼす CE 値の影響 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・84



新品種ニラ栃木５号の栽培技術の開発 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・88



引張試験における表面粗さの影響 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・91

結城紬欠点要因の解析とその改善 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・95



貝殻再生資源を利用した益子基礎釉の開発 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・98

本研究報告における研究区分については、次により分類したものとなっております。
Ⅰ

重点共同研究：県の重点振興産業分野(自動車、航空宇宙、医療機器、光、環境産業)及びフードバレーとちぎプロジェクトの食品産業分野において、企業、大学などと課題を分担して重点的に行うもの。

Ⅱ

共 同 研 究 ：企業、大学などと課題を分担して行うもの。

Ⅲ

受 託 研 究 ：企業や団体などからの委託を受けて行うもの。

Ⅳ

重 点 研 究 ：県内産業の振興のため県が単独で特に重点的に行うもの。

Ⅴ

経 常 研 究 ：上記以外にて実施したもの。

また、知的財産権の保護等の観点から、非公開、一部非公開となっている研究テーマがございます
ので、御了承ください。

－ii－－ ii －

Contents
Ⅰ

Selected Cooperative Research Mirror Finish of Optical Grass Lens by Polishing Utilizing ELID ・・・・ 1 Development of an Autonomous-Robot for the Purposeof Photovoltaic Power Plant Maintenance ・・・・・・・・・ 5
 Development of Thin-Wall Cast Iron with Frozen Mold
Casting Process for Low Environmental Impact ・・・・・・11
 Production of High Quality Purees
Using Fruits Cultivated in Tochigi Prefecture ・・・・・・16

Ⅱ

Cooperative Research Development of Technologies in Manufacturing of Large Sintered PCD andShaping of Tool for High Production Rate andCost Reduction of High Performance PCD Cutting Tools ・・20
 Fabrication of Porous Hydrogels Oriented toward Plant Cultivation ・・・22
 Preparation of Zeolites Included Rare-earth Oxides
as a Catalyst for Carbon Oxidation (2nd Report) ・・・・・25
 Development of Novel Automobile Catalyzer ・・・・・・・・・・・・・・・30
 Effective Utilization of Residue of Squeezed Ginger ・・・・・・・・・・32
 Development of High Value-added Processing Technology
with Direct Gel Conversion of Two-rowed Barley ・・・・・36
 Studies Using Torchon Lace to Interior Material ・・・・・・・・・・・・39
 Development of New Reduction Discharge Printing Method ・・・・・・・・・43
 Study on Bending Process for CFRP ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・49
 Study on Concrete Using a New-style Blast Furnace Slag Cement ・・・・・52
 Making Sample Books of Yuki-tsumugi Fabrics with Various Colors,
and New Product Development (2nd Report) ・・・・・・・・58

Ⅲ Contract Research Application of Zeolite Dispersed Ceria Nanoparticles
as an Ultraviolet Absorber for Plastics ・・・・・・・・・61－iii－－ iii －

Ⅳ

Selected Research Development of a Strain Measuring System
Applying Optical Method（2nd Report） ・・・・・・・・・・65
 High Aspect Ratio Punching Under In-plane Tension (2nd Report) ・・・・・68
 Improvement of Tribology Characteristic of Stainless Steelas Biomaterial by Laser-Induced Wet Treatment ・・・・・・71

Ⅴ

Ordinary Research









End Milling in Cold Brittleness Range of Steel ・・・・・・・・・・・・・75
Practical Use of Hydrogels in Agricultural Production ・・・・・・・・・78
Investigation of Painting for NIKKOBORI Using Photosetting Paint ・・・・81
Influence of CE Value about Hardness of White Cast Iron ・・・・・・・・84
Development of Cultivation Technique for New Chinese Chive Breed ・・・・88
Influence of Surface Roughness in Tensile Test ・・・・・・・・・・・・・91
Analysis of Textile Defect Factors
and Improve the Quality for Yuki-tsumugi ・・・・・・・・95
 Development of Mashiko Basic Glaze Using Shell Recyclable Resources ・・98

－iv－

－ iv －

Ⅰ 重点共同研究

Selected Cooperative Research栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

重点共同研究（光分野）

ELID を援用した光学ガラスレンズの鏡面研磨技術の開発
江面

篤志*

渡部

篤彦*

稲澤

勝史*

成井

知 明 **

Mirror Finish of Optical Grass Lens by Polishing Utilizing ELID
Atsushi EZURA, Atsuhiko WATANABE, Katsufumi INAZAWA and Tomoaki NARUI
光学ガラスレンズの製造工程では固定砥粒であるペレットを用いた研磨加工が行わ
れ て い る 。 本 研 究 で は ， 電 極 レ ス ELID （ イ オ ン シ ョ ッ ト ド レ ッ シ ン グ ） を 援 用 し た 新
し い 研 磨 技 術 を 提 案 し ， 加 工 面 粗 さ の 低 減 を 目 指 し た 。 #1200 番 手 の ペ レ ッ ト に よ る 加
工の結果，イオンショットドレッシング法を適用した加工では，通常研磨と比較して，
ペ レ ッ ト 作 業 面 の 目 詰 ま り が 抑 制 で き ， 加 工 量 の 向 上 が 見 ら れ た 。 ま た ， #8000 番 手 の
ペ レ ッ ト を 用 い た 加 工 で は ， Ra 2.2 nm の 良 好 な 鏡 面 を 得 る こ と が で き た 。 さ ら に 球 芯
振 り 加 工 機 を 用 い て イ オ ン シ ョ ッ ト ド レ ッ シ ン グ 法 を 適 用 し た 加 工 を 行 い ，球 面 研 磨 においても鏡面加工が行えることを示した。
Key words : ELID 研 削 法 ， イ オ ン シ ョ ッ ト ド レ ッ シ ン グ ， ガ ラ ス レ ン ズ ， 研 磨 加 工 ，
加工能率

はじめに

用いた仕上げ研磨工程の前段階である粗研磨・精研磨

一眼レフカメラ用レンズやレーザ集光用レンズ，半工程において，加工面粗さを向上させることにより，導体製造用ステッパに用いられるレンズなど，高品質

酸化セリウムによる研磨時間の短縮を目指す。現状，が要求される球面レンズは，円柱状の素材から直接削精研磨工程においては，#2000〜#3000 番手程度のペレることにより製造されている。こういったガラスレンットが用いられており，これよりも高番手のペレット

ズは多くの加工技術・加工装置を要する製造プロセス

は目詰まりが激しいため生産ラインにおいて使用するを経て製造されるため生産コストが割高であることがことが困難である。そこで，高番手の砥石を安定して欠点となる一方で，高い形状精度や屈折率の均一化の使用できる ELID を援用した鏡面加工技術の開発を行点で有利であり，高品質なレンズの作製が可能である。

った。

１

光学ガラスレンズの加工は，粗加工・粗研磨・精研
２

磨・仕上げ研磨といった工程を経て，段階的に高い形
状精度と表面粗さを達成していく

1),2)。このうち，最

２．１

研究の方法

イオンショットドレッシング法

終の仕上げ研磨では，遊離砥粒として酸化セリウムを

通常の ELID 研削法 5)-7) は，図１に示すように砥石に使用する研磨加工が施される。酸化セリウムによる研陽極を給電する陽極ブラシと砥石作業面を電解するた

磨加工は，機械的除去だけでなく，化学的スムージン

めの陰電極を設置することで適用可能な加工法である。

グ効果も相乗的に作用することにより，極めて平坦な

しかし，球面レンズ製造に用いられる球芯振り加工機

面が得られる。しかし，加工レートが低いため，加工は球面の軸対称性を生かし被削材側を大きく揺動しな

時間の短縮が課題である。さらに，近年の国際情勢不がら加工するため，陰電極の設置が困難である。そこ

安の影響を受けて，レアメタルである酸化セリウムはで，本研究では，電極を用いることなく電解ドレッシ

供給不安が払しょくできず，価格も高止まりしているングが可能であるイオンショットドレッシング法に着状況から，レンズ加工業者は酸化セリウムの使用量削目した。イオンショットドレッシング法は，図２のよ減に迫られている

3),4)。本研究では，酸化セリウムを*栃木県産業技術センター 機械電子技術部**

有限会社小貫光学工業所

うに研削液を供給するノズル内に陽極と陰極を配置し，電解させた研削液を砥石に供給することで電解ドレッ
シングを行うものである。先行研究では，本手法を用－1－栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

いることで，従来の電極を用いた ELID 研削と同等の表面粗さを達成できることが報告されている

8)

表１

。

使用ペレット

平面研磨条件

メタルレジンボンド
ダイヤモンドペレット
中仕上げ用：#1200
精仕上げ用：#8000

ペレット皿回転数

170 rpm

Load

67 N

加工時間

10 min

電解条件

90 V,

２．３

10 A

球面研磨加工球芯振り研磨機にイオンショットドレッシング用ノ
図１

ELIDサイクル概略図

ズルと研磨液循環装置を取り付け，球面加工を行った。
加工中の様子を図４に示す。この加工機は獲得したい球面と同じ曲率のペレット皿をあらかじめ用意し，ペレット皿が回転することで，被加工物である球面レン

Grinding Wheel

ズが連れ周りながら加工される。その際，ペレット皿

Power
Supplyの中心部から離れるにつれて周速が異なり加工特性にWorkpiece

偏りが生じるため，レンズは図５に示すような円揺動が付加され，ペレット皿の中心部から外周部まで満遍

図２２．２

イオンショットドレッシング法概略図

なく推移するようになっている。加工条件を表２に示

平面研磨加工す。

供試材として，光学ガラスレンズに広く利用されている BK-7 を用いた。試験片はφ25.4 mm に機械加工した後，#1200 の砥石で研削仕上げされている。これを図３に示す平面研磨機（Bluller ECOMET3）の専用ホル
ダーに 3 個ずつ取り付け，平面ラップ研削を行った。
この研磨機は，ワークホルダおよびペレット皿がそれぞれ回転し，一定荷重で被加工物をペレット皿に押し付けて加工を行うものである。用いたペレットはメタ
ルレジンボンドダイヤモンドペレットで，中仕上げ用の#1200 と精仕上げ用の#8000 を用いた。このペレット
皿にイオンショットノズルより吐出される電解された研削液(CG-7，50 倍希釈)を供給した。加工条件を表１

図４

球面研磨加工時の外観に示す。加工した研削面の表面性状は白色干渉計（Zygo
NewView7300）を用いて評価を行った。また，ばね式ダイヤルゲージを用いて加工前後の加工物の高さを測定
し，加工量の評価を行った。

図３

平面研磨中の様子

図５

－2－

揺動軌道

栃木県産業技術センター

表２

研究報告

No.13（2016）

球面研磨条件

ペレットの茶色の領域に対して，微小部蛍光エックス

メタルレジンボンド

線分析装置による成分分析を行った。その結果を図８

ダイヤモンドペレットに示す。同図より，茶色の領域と白い領域の両方でメ

中仕上げ用：#1200

タルレジンボンドの主成分である Cu 成分が検出され精仕上げ用：#8000

た。さらに茶色の領域と比較して，白い領域では，Si

ペレット皿回転数

520 rpm

成分が検出されたことを示すピークが高い。このこと

押付けエアー圧力

0.1 MPaにより，ペレットの作業面に存在している白い領域は

加工形状

R103 mm

ガラスレンズの切りくずであることがわかった。切り

加工時間

6 min

くずが作業面に残留していることは目詰まり状態であ

電解条件

90 V,

使用ペレットることを示しており，加工能率の著しい低下を招いて10 A

しまう。このことから，イオンショットドレッシング
３３．１

法を適用することで，目詰まりを防止し，高い加工能

結果および考察率を長時間維持することが可能であることが明らかと加工能率の評価

中仕上げ用#1200 ペレットを用いた加工実験を行い，なった。
白い 領 域

通常研削時とイオンショットドレッシング法を適用した研削での加工能率について評価を行った。表１に示した加工条件の下，10 分間加工するごとに加工物の高さを測定し，加工量の時間変化を求めた。その結果を
図６に示す。同図よりイオンショット法を用いた場合，用いない場合のいずれも，初期の加工能率は同等であ

0.3mm

0.3mm

ることがわかる。加工初期でのペレット作業面は#1200の砥石による機械的なドレッシングの直後であるため，（a）通常研削

良好な加工が行えたことを表している。通常研削では，

図７（b）ELID 適用

加工後のペレット表面の観察図

50 分の加工を行った際の，最後の 10 分間の加工量は
31 µm であった。一方，イオンショットドレッシング法を用いた加工では，平均で 60 µm 程度となった。このことからイオンショットドレッシング法を適用する
ことで，加工能率の向上につながることが示唆された。

（a）白い領域

図６

単位時間当たりの研磨レートの推移

次に，加工後のペレットの作業面に対しデジタルマ
イクロスコープによる拡大観察を行った。その結果を図７に示す。同図より，イオンショットドレッシング法を用いた研削を行ったペレットの作業面と比較して，（b）茶色の領域

通常研削を行ったペレットの作業面には，小さな白い
図８

領域が多く存在していることがわかる。 この白い領域とイオンショットドレッシングを用いて加工を行った－3－

加工後のペレットの表面分析結果

栃木県産業技術センター

３．２

研究報告

No.13（2016）

精仕上げ用ペレットによる鏡面仕上げ（1）通常研削加工と比較して，イオンショットドレッ

精仕上げ用#8000 ペレットを用いて鏡面仕上げ加工

シング法を用いた研削加工では，ペレット作業面を行った。前加工として，中仕上げ用#1200 のペレッの目詰まりが抑制され加工能率の減少が少なくトを用いた加工を行っている。通常研削加工では，加なることが明らかとなった。

工を 4 時間行った場合でも全面加工を行うことはでき（2）精仕上げ用#8000 のペレットを用いてイオンショなかった。これは，目詰まりにより加工レートの著し

ットドレッシング法を適用した加工を行うこと

い低下が原因であると考えられる。一方，イオンショ

で，加工速度が上がり，Raットドレッシング法を用いた加工では，1 時間の加工を得ることが可能である。

2.2nm の良好な鏡面で全面加工を行うことができた。加工面性状について（3）球芯振り研磨機を用いた球面加工においても良好

白色干渉計を用いて測定した結果を図９に示す。同測な加工面を得ることができた。今後は酸化セリウ

定より算術平均粗さ Ra を求めた結果，2.2 nm が得らムを用いた研磨時間の短縮量を見極め，生産コスれた。

ト低減につながる加工条件の探索を行う。
謝

辞本研究の遂行にあたり，国立研究開発法人理化学研
究所

大森素形材工学研究室

大森先生，上原先生，

利根様並びに㈱アルファーダイヤモンド工業

菊池様，

庄司様には有益な御助言を賜りました。
参考文献
図９
３．３

白色干渉計による平面研磨面の測定結果

1) M.Saeki and T.Kishida : J. Jpn. Soc. Abra. Tech.,

球芯振り研磨機への適用

41(3), 90(1997)

球芯振り研磨機を用いて，球面加工を行った。加工

2) H.Takino : J. Jpn. Soc. Precis. Eng. 70(5),後の表面粗さについて白色干渉計を用いて測定した結619(2004)

果を図 10 に示す。同測定結果より求められる算術平均

3) J.Murata, Y.Tani, R.Hirooka, N.Nomura, Y.Zhang

粗さ Ra は 1.8 nm となり，平面研磨と同様に鏡面加工

and J.Uno : J. Jpn. Soc. Mech.. Eng. C, 77(777),が行われたことが示された。また，非接触輪郭形状測533(2011)

定機（三鷹光機㈱MLP-3SP）を用いて加工面の形状測4)

T.Yamazaki,

T.Doi,

S.Kurokawa,

O.Ohnishi,

定を行った。その結果，R103 mm の指示寸法に対し，

M.Umeda, Y.Umezaki, Y.Yamaguchi and S.Kishii :103.056 mm が得られた。

J. Jpn. Soc. Precis. Eng., 77(10), 960(2011)5) 大森整: ELID 研削加工技術―基礎開発から実用ノウハウまで―, 工業調査会, (2000)
6)

H.Ohmori,

H.Kasuga,

M.Mizutani,

N.Itoh,Y.Uehara,
A.Ezura,T.Katoh,

S.Kunimura,T.Kameyama : J. Jpn. Soc. Precis. Eng. 79(4),278(2013)
7) H.Ohmori, M.Mizutani, T.Kaneeda, N.Abe, Y.Okada,
図 10白色干渉計による球面研磨面の測定結果

S.Moriyama,

N.Hisamori,

Y.Tsunashima,

J.Tanaka,

N.Nishimura,
K.Kuramoto

andA.Ezura : CIRP Annals - Manufacturing Tech.,４

おわりに

62(1), 579(2013)

本研究では，光学ガラスレンズに対し，中仕上げ用

8)

Y.Uehara,

Y,Yamagata,

S.Morita,

T.Naruse,

ペレットを用いた加工実験を行い，イオンショットド

K.Katahira, H.Ohmori, W.Lin and N.Mitsuishi : J.

レッシング法が加工能率に及ぼす影響について明らか

Jpn. Soc. Abra. Tech., 53(6), 356(2009)にした。さらに精仕上げ用ペレットを用いて，鏡面仕上げ加工を行った。以下に要点をまとめる。

－4－栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

重点共同研究（環境分野）

メガソーラー管理を目的とした自律走行ロボットの開発
植竹 大輔*

坂本

憲弘*

木村

正樹**

吉岡 努**Development of an Autonomous-Robot for the Purpose of Photovoltaic Power Plant
Maintenance
Daisuke UETAKE, Norihiro SAKAMOTO，Masaki KIMURA and Tsutomu YOSHIOKA
メガソーラー向けに草刈りや遠隔監視などの作業を行う自律走行ロボットを開発した。
市 販 の ガ ソ リ ン エ ン ジ ン 式 ク ロ ー ラ 型 草 刈 機 に Kinect 等 の 各 種 セ ン サ を 取 り 付 け ，そ れらのデータにより，手動操作部に設けた電動アクチュエータをコントロールすることで自 律 走 行 を 可 能 に す る と 共 に ， 無 線 LAN に よ る 自 律 走 行 ロ ボ ッ ト と 管 理 者 間 の デ ー タ 送
受信により，遠隔地からの監視とロボットの操作機能を付加した。
Key Words :ロ ボ ッ ト

１

自律走行

Kinect

IMU

はじめに再生可能エネルギーの固定価格全量買取制度が始まり，大手企業によるメガソーラーの参入が相次いだが，広大な土地に太陽電池パネルを設置するメガソーラーの管理・メンテナンスは人手による部分も大きい。メ
ガソーラー関連の事業の多くは，初期投資（パネルの設置コスト等）を長期間の発電収入で回収しつつ利益を生み出すビジネスモデルであるため，ランニングコ
ストは少しでも低減させる必要がある。
図２

共同研究先の㈱ソフトシーデーシーではメガソーラ

太陽電池パネル周囲の雑草

ーのメンテナンス用自走ロボットを開発しているが，従来の手法では誘導用金属製導線の埋設など，コストを可能とするメガソーラー管理を目的とした自律走行
ロボットを開発する。

面での課題がある。
そこで，埋設導線等に頼らず，画像処理と補助セン

２サ等により太陽電池パネルや架台などに接触することなく，草刈り（図２のような雑草）や遠隔監視・操作

図１

メガソーラー全景

２．１

研究の方法

自律走行制御システムの開発【ｱﾃｯｸｽ】刈馬王ﾊﾝﾏｰﾐﾆ RX-550A
http://www.atexnet.co.jp/ios/02_pr
oduct/RX-550A/index.htmlⒸGoogle-Map* 栃木県産業技術センター 機械電子技術部** 株式会社ソフトシーデーシー

図３

－5－

市販ガソリンエンジン式草刈機

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）３

図３に示す市販のガソリンエンジン式クローラタイ
プの草刈機をベースに自律走行ロボットを作製する。

３．１

２．２

３．１．１

遠隔監視・操作機能の付加

遠隔地から，太陽電池パネルや周辺の雑草の状況を確認すると共に，自律走行ロボットの操作を行う。

結果及び考察自律走行制御システムの開発
ハードウェアの構成

自立走行ロボット制御用として小型PC（INTEL_NUC）
を使用し，サーボコントローラを出力系，各種センサ
を入力系としてシステムを構成した。

図６
図４

遠隔監視イメージ

３．１．２

ハードウェアの構成

電動アクチュエータの取り付け

自律走行及び遠隔操作による走行を可能のするため
２．３

実証試験に向けた自律走行制御

手動操作部に対して，電動アクチュエータを取り付け

図５に示すとおり，太陽電池パネル間の草刈りを自律走行ロボットを制御して行う。

た（図７）。
なお，従前の操作機構を残して取り付けを行っているので，手動操作も可能となっている。

140cm
以上

改造箇所は次のとおり。
(1)走行ギヤの切換：図７左上(2)走行，作業クラッチの断続：図７右上(3)スロットルの開閉：図７左下(4)クローラのステア制御クラッチ操作：図７右下

太陽電池
パネル列

200cm

太陽電池
パネル列

図５ 自律走行制御による草刈り

なお，自律走行による各誘導目標に対する位置ズレを50cm以内，設定した草刈り範囲面積の70%（パネル間200cmのうちパネル前から140cm以上の幅）以上を目標とする。
図７－6－電動アクチュエータ取り付け状況

栃木県産業技術センター

３．２

３．３

遠隔監視・操縦機能の付加

遠隔地からメガソーラーを監視するため，自律走行
制御システムで使用しているKinectのRGBカメラの画像や各種センサの出力などのデータについて，無線LAN

研究報告

No.13（2016）

実証試験に向けた自律走行制御

図10のような太陽電池パネル列２列から成るモデル
走路に対して，自律走行制御による草刈りを行う。
まずHOMEポジションから太陽電池パネル前面を行程①②③の順で草刈りし，刈り終わると次の太陽電池パを利用して送受信（図８）する機能を付加した。

ネル列前に移動し，同様に行程①②③の草刈りを行った後，HOMEポジションに戻るパターンとした。
行程①及び②③における自律走行制御についての説
明は以下のとおりである。

図８

無線LANを利用した送受信イメージ

こうした無線LANを利用したIPによる通信のメリッ
トとしては，数多くの既存ライブラリや機材などが活用でき，802.11ルータ（無線LANルータ）とリピータ（増幅器）の利用により広範囲での通信をカバーできることにある。
これにより，自律走行に加えて遠隔地から管理を可能とする画像と各種センサのデータを取得できる。
図10

また，管理者が監視画像を見ながらロボットをコン

自律走行制御の走路モデル

トロールするソフトウェア（図９）を作成した。
３．３．１

行程①の自律走行制御

太陽電池パネル前面の行程①の部分における自律走
行制御については，ポイントを設定したHOME位置からスタートし，太陽電池パネルに向かって直進する（図
11）。

操作画面

図９

図11

データ画面

行程①における自律走行制御

直進後は，Kinect（図12）による太陽電池パネルの遠隔監視・操作ソフトウェア画面

把握とIMU（ 図13：３軸方向の加速度センサ，ジャイロ，
地磁気センサを備えた慣性計測装置）による旋回－7－栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）（図14）を行い，太陽電池パネルに対して，設定した離隔を保って走行（図15）する。

図16
図12

KinectⒸMicrosoft

行程①の自律走行制御の方式

走行中は太陽電池パネルとの一定の離隔距離を保つ
ように左右のクローラのクラッチをコントロールしな
がら走行すると共に，走行軌跡をGPSデータとして取得（図16）し，これをベースに次の走行ラインのデータを算出する。
この間，Kinectは常時優先する緊急停止，回避行動のチェックを行い，優先行動が発生した場合には，それぞれに対応した行動をとるようにプログラムしてい
る。
３．３．２

図13

IMU「9DOF Razor」

行程②③の自律走行制御ⒸSparkFun

図 17

行程②③における自律走行制御

行程①における，太陽電池パネル列の終端部から，行程②③の草刈り（図17）に至る自律走行制御につい
図 14

ては，

Kinect による太陽電池パネルの把握

行程①の終端から行程②開始位置へ：行程①の走行終了前から，旋回ポイントまでGPSにより走行し，設定ポイントにてIMUによる180度旋回。
行程②：行程①で取得したGPSデータから算出して得た走行経路データ（目標）とGPSの現在位置とを比較しながらIMUとKinectによる補正を加えながら，次の旋回
ポイントまで走行。
行程③：上記同様に走行する。
行程③の終端からendポイントへ：GPSとIMUによる補
正を加えながら，設定ポイントを経由してendポイント
まで走行する。
図 15

Kinect による太陽電池パネルに沿った走行

endポイント：次のstartポイントとして，次のパネ－8－栃木県産業技術センター

No.13（2016）が判明した。このため，行程②③の走行では補正のた

ル列に対して同様に行程①②③の草刈りを行う。
３．３．３

研究報告

めに使用していたKinectとIMUのデータにより自律走

所内での自律走行シミュレーション

実証試験に先立ち，太陽電池パネルに替えて衝立を行制御を行った。

設置したコース（図18）を設置し，自律走行試験を行
った。

図20
図18

シミュレーションコース

GPS緯度経度データの変化

行程①の終端から行程②へ進むとき，行程①の終端
手前257cmでKinectのセンシング範囲から沿うべき対

行程①の自律走行制御については，速度0.15m/sで太陽電池パネルに沿って走行している状態で，走行中心
ラインと自律走行ロボットの中心とのズレを確認（図19）した結果，50cm以内で走行が可能であることが確認できた。

象が外れてしまうので，IMUのジャイロデータを参照しながら一定距離（終端＋160cm）を直進させ，その地点
を旋回ポイントとした。
旋回ポイントに到達した後，IMUのデータにより180度旋回することで，大きな方向修正なしに行程②へ進むことができた。
行程②では，行程①で取得したGPSデータから算出して得た走行経路データを主に，KinectとIMUによる補正を加えながら，次の旋回ポイントまで走行する予定であったが，前述のとおりGPSに頼ることができないので
行程①同様にKinectとIMUによる走行制御を行った。
行程②では行程①に比べて，終端手前328cmでKinect
は沿うべき目標をセンシングできなくなるが，IMUにより走行ラインからのズレは50cm以内で旋回ポイントへ
到達，スムーズに180度旋回して想定どおり行程③へ進図19

走行状況の確認

むことができた。
同様に行程③では，終端手前400cmでKinectは沿うべ

行程①の終端から行程②に向かっては，位置データ（緯度経度情報）を設定した旋回ポイントに対して，
自律走行ロボットに搭載したGPSの現在位置データをき目標をセンシングできなくなるが，IMUにより走行ラインからのズレは50cm以内で旋回ポイントへ到達した。
ENDポイントへの移動については，IMUのデータのみ

参照しながら走行するため，GPSの精度について検証を行った。

での走行制御となるが，旋回ポイントでの90度の旋回と直進により到達することができた。

固定したGPSから1秒毎に180秒までの緯度経度（高さは一定とする）データを取得し，この平均緯度経度データから中心となる緯度経度を求め，時間経過ごとの緯度経度データと中心とした緯度経度の差（２点間の距離）をグラフ化した結果を図20に示す。

３．４

メガソーラーにおける実証試験

実証試験として，フィールド開発株式会社の協力を得て，宇都宮市内にあるメガソーラー敷地内で行った。
３．４．１

自律走行制御について

メガソーラー敷地内の舗装されてない地面においてこの結果から，GPSの精度としては2.5m程度であることが確認できた。この精度では，GPSにより自律走行ロ
ボットが各ポイントへ到達することが困難であること－9－

行程①については，パネル端面からの離隔距離を保ったまま直進できることを確認した。
行程②③については，メガソーラー敷地内が一般的

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

な場所に比べて安定的に地磁気がセンシングできず，ず，物体として捉えられなかったことが原因と考えら

旋回時のIMUの精度が影響される恐れがあることかられる。

実施に至らなかった。
今後，高精度GPS（数cm精度）を導入し，それらのデータを主とした自律走行制御の確認を行い，その結果から実施について検討することとした。
３．４．２

メガソーラー敷地内での課題

一つには，メガソーラー敷地内において，無線LAN
機器の仕様上の通信距離（802.11b/g，2.4GHz帯，54Mbps
出力10mWで見通し100m程度）より，かなり短い距離でデータの送受信ができなくなる不具合が発生した。
図22

具体的には，自律走行ロボットから送られてくるカ

化合物系太陽電池パネル

メラ動画のフレームレートが大きく低下し，一定時間で元に戻るという現象で，Ping値（パケットを投げて，これまでの認識アルゴリズムでは，化合物系太陽電応答が帰ってくるまでの時間）を用いて応答速度を連池パネルの場合，ほとんど何もない空間として認識さ続的に見ると，通常10ms程度の遅れがあるが，ここでれてしまうが，そうした空間の境界となるパネルの枠は10msが10秒程度の時間をかけて100ms～1,000ms近くについては材質的に認識できることから，パネル下のまで増えて，次に減少に転じて10msまで戻るという状

枠を連続した直線として認識するアルゴリズムに変更

況を周期的に繰り返していた。

することで解決を図った。

こうした状況から，通信が途絶することはないが，

しかし，パネル全面の枠が隠れるほど雑草が繁茂し動画データは送り切れなくなる。この対策として，通ている場合については，さらに対策が必要と考える。

信速度が遅くても送れる数値データを基に，自律走行
４

ロボットの状況を監視側で表示するためのアプリケー

おわりに市販のガソリンエンジン式クローラ型草刈機にションについて検討する必要がある。
このほか，Kinectによる太陽電池パネルの認識に問Kinect，IMU，GPSなどの各種センサを取り付け，それらのデータから自律走行ロボットの目標との距離や姿題があった。
二種類のパネルで認識の実験を行ったが，内部に銀勢，位置を把握すると共に，手動操作部に設けたサー色のラインが見える結晶シリコン系のパネル（図21）

ボモータやストロークモータなどの電動アクチュエーについては認識することができたが，パネル全面が黒タをコントロールすることにより自律走行を可能とす

く単色になっている化合物系パネル（図22）についてると共に，無線LANによる自律走行ロボットと監視側とは認識ができなかった。

のデータの送受信により，遠隔地からの監視とロボットの操作機能を付加した。
所内での自律走行シミュレーションの結果では，移動速度0.15m/sとの条件付きながら，予定した1.5往復の走行ラインに沿って走行でき，その軌跡から太陽電
池パネル間の70%以上の草刈りが可能であることを確認した。
また，メガソーラー敷地内の整地されてない地面においても，パネル端面から設定離隔を保ったまま直進できることが確認されたので，今後，残された課題に

図21

ついて精査して実用化へ向けて検討を進める。

結晶シリコン系太陽電池パネル

これは， Kinectの3D深度センサ部分が近赤外線を照射して，その反射してきた近赤外線を捉える原理のため，元来，近赤外線付近の波長に高い吸収率がある太陽電池パネルにおいては，近赤外線がほとんど反射せ－ 10 －

参考文献
1)日本ロボット学会編：ロボット工学ハンドブック
コロナ社(2005)

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

重点共同研究（環境分野）

低環境負荷型凍結鋳型鋳造技術を用いた薄肉鋳物の開発
信幸 *

石川

相馬

宏之 *

樋山

里美 *

永森

久之 **

滝田

克久 **

大島

聖司 **

石塚

達也 **

Development of Thin-Wall Cast Iron with Frozen Mold Casting Process
for Low Environmental Impact
Nobuyuki ISHIKAWA, Hiroyuki SOMA, Satomi HIYAMA, Hisayuki NAGAMORI,
Katsuhisa TAKITA, Seiji OHSHIMA and Tatsuya ISHIZUKA
試作型を用いて，小型薄肉鋳物の凍結鋳型の造型条件，鋳造条件の検討を行い，試作品の評価を行った。試作型の表面処理，凍結時間をコントロールすることで効率的な造型条件が得られた。また，鋳型に使用する砂の粒度を細かくすることで鋳肌の粗さの改善が認められた。
Key Words : 球状黒鉛鋳鉄，凍結鋳型，薄肉鋳物

１

はじめに

た。凍結鋳型の作製は，次のとおり行った。日光けい従来の鋳造法は，鋳物砂に粘結剤として樹脂等を使

砂 6 号，7 号に混練後の水分量が 5%になるように水を用するため鋳造時に異臭が発生し，鋳型から製品を取添加し混練機で 3 分混練した。型に混練した砂を充填り出す工程で振動や粉じんが発生するなどの課題があし乾燥を防ぐためにビニール袋に包み，-30℃に設定しる。一方，凍結鋳型は粘結剤に水を用いて凍結させるた冷凍庫で凍結させた。凍結鋳型の造型条件を表１，ことで鋳型を作るため異臭・振動・粉じん等を低減で水分量及び凍結時間を表２に示す。所定の時間凍結後，きる。また，鋳込み下限温度を従来よりも低く設定す

上型下型それぞれ抜型し凍結鋳型を取り出した。併せることができ，廃棄する溶湯も削減できる可能性があて抜型に要する時間を測定し，鋳型の破損を目視にてる

1)。さらに，鋳物砂をほぼ 100％再利用できるメリ1)

観察を行った。比較のため CO 2 鋳型も作製し鋳造した。

。このように，凍結鋳型鋳造法は環境負鋳造は，FCD450 相当の球状黒鉛鋳鉄を 1550℃で出湯

荷低減および省資源を可能とする鋳造技術である。こし球状化処理後，温度を測定し、注湯を行った。注湯れまでの研究から凍結鋳型内の溶湯の流動性に優れる

条件を表３に示す。

ットがある

ことが確認されており，薄肉鋳物の製造に効果が期待できる技術である

2)。しかし，これまで鋳型の製造コストが高く普及には至らなかった1)。近年の冷凍技術の進歩により冷凍機を使った鋳型製造が可能となった作製した試作品は，目視にてバリの観察を行った。
表 面 粗 さ は ， 下 型 面 の 中 央 部 を 実 体 顕 微 鏡 （ Nikon
SMZ800）で観察を行った。薄肉部の肉厚をマイクロメ
ータで測定した。
金属組織は，同一の溶湯を 1355℃で 6 号 CO 2 鋳型，6ことから，コストの問題は解決されつつある。
そこで，本研究では，造型方法や鋳造方法を検討し，号，7 号凍結鋳型に鋳込んだ試作品から図４に示すよ低環境負荷型凍結鋳型鋳造技術を用いて，小型の薄肉

うに試料を切出し，光学顕微鏡（オリンパス

鋳物の試作を行うこととする。

で薄肉部の観察を行った。

２

研究の方法

試作する小型の薄肉鋳物のモデルは，図１に示す薄肉部が 2.5mm の周囲にリブとボスを有する形状に設計した。型は，設計したモデル形状を箱型に加工した試作型 1（図２），型枠が取外せる試作型 2（図３）としケミカルウッドを用い上型と下型を機械加工で作製し*栃木県産業技術センター**

錦正工業株式会社

材料技術部

図１

－ 11 －

モデル形状

GX71）

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

表３

上型

上型

下型
図２

鋳型№

砂

1
3
4
5
6
7
9
10
11
12
CO2-1
CO2-2

6号 けい砂6号 けい砂6号 けい砂6号 けい砂6号 けい砂6号 けい砂6号 けい砂7号 けい砂7号 けい砂7号 けい砂6号 けい砂6号 けい砂CO2-3

6号 けい砂

注湯条件
湯口カップ

重り質量
（Kg）

有

注湯温度
（℃）
1353
1363
1338
1310

7

1330
無

14

1355
1310
1330
1355

7

1370

14

1355

有
無

下型

試作型 1

図３

試作型 2
：切断箇所

表１
A

造型条件

：組織観察箇所

機械加工したままの試作型 1
試作型 1

B

：観察方向

＋フッ素樹脂コーティング
試作型 2

C

図４

＋フッ素樹脂コーティング

金属組織観察箇所

試作型 2
D

３

＋フッ素樹脂コーティング
３．１＋凍結時間短縮

結果及び考察造型

6 号けい砂の凍結鋳型の抜型に要した時間の測定結果を図５に示す。造型条件 A で 24 時間凍結させて作製
表２した鋳型№1 下型の抜型時間は，30 分であった。造型

凍結鋳型造型・凍結条件

条件 B で 23 時間凍結させて作製した鋳型№3 下型の抜
鋳型№

砂

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
CO2-1
CO2-2
CO2-3

6号 けい砂6号 けい砂6号 けい砂6号 けい砂6号 けい砂6号 けい砂6号 けい砂6号 けい砂6号 けい砂7号 けい砂7号 けい砂7号 けい砂6号 けい砂6号 けい砂6号 けい砂ＡＦＳ
水分量 凍結時間
造型条件
粒度指数 （％）
（h）

57.3

86.2

57.3

5.3
5.3
5.3
5.4
5.5
5.2
5.4
5.5
5.3
5.1
5.6
5.4
―
―
―

24
19
23
18
17
5
3
1.5
3
16
3
3
―
―
―

A
B

型時間は，13 分に短縮することができ試作型へのフッ素樹脂コーティングの有効性が示された。造型条件 C
で 18 時間凍結させて作製した鋳型№4～5 下型の抜型
時間は，10～13 分で，試作型の形状変更の効果は少なCかった。造型条件 D で，1.5～5 時間凍結させて作製した鋳型№6～9 下型の抜型時間は，0.8～1.5 分となった。

DC
D

しかし，凍結時間 1.5 時間の鋳型は，凍結が不十分で鋳型強度が得られず，抜型時に堰等に破損が生じた。
以上のことから凍結時間を 3～5 時間にすることで，鋳型の表層が抜型に耐えうる強度が得られ，鋳型が試作

B

型に強固に付着することを回避できた。さらに，フッC

素樹脂コーティングによる離型性向上により抜型時間が大幅に短縮できることが分かった。
抜型した鋳型の目視観察を行い，抜型に長い時間要－ 12 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

した鋳型には，角部の溶けや，モデル及び方案部分に

び 7 号の凍結鋳型試作品の肉厚は，注湯温度が高くな

破損を確認した。

ると厚くなる傾向を示した。

CO 2 鋳 型

凍 結 鋳型

湯口 カ ップ 有 重り 7kg

湯 口 カッ プ 有 重り 7kg

凍 結 鋳型

凍 結鋳 型

湯口 カ ップ 無 重り 7kg

図６

図５
３．２

湯 口 カッ プ 無 重り 14kg

バリの状態

造型条件と抜型時間の関係

鋳造

図６に 6 号けい砂で作った CO 2 鋳型，凍結鋳型の試
作品の注湯条件によるバリの状態を示す。CO 2 鋳型の試作品は，注湯条件によらずバリは発生しなかった。し実体 顕 微鏡 撮 影箇 所 （○ 部 ）6 号 CO 2 鋳 型

かし，凍結鋳型の試作品は，CO 2 鋳型と同様の条件で注湯を行うと流動特性の良さからバリが発生したため，
湯口カップを用いず重りを約 14kg 乗せ注湯すること
で，バリを低減することができた。重りの増量により鋳型の密着度を上げ，緩やかに注湯することで溶湯が鋳型の合わせ面への差し込みが抑えられたためと考えられる。
図７に試作品の下型中央部の実体顕微鏡写真を示す。

6号

図７

凍結鋳型の試作品の表面粗さは，粒度の細かい 7 号のけい砂を用いることで改善が認められた。
図８に注湯温度と肉厚の関係を示す。凍結鋳型の試作品は，薄肉部の肉厚が設計値より厚くなる課題が明らかになった。凍結鋳型による鋳造において，鋳型内
は溶湯の熱により砂を結合していた氷が溶け砂の固定が弱まったところに溶湯の共晶凝固による体積膨張が起こったためと考えられる。また， 6 号の CO 2 鋳型及－ 13 －

凍 結 鋳型

7号

凍 結 鋳型

試作品下型表面の実体顕微鏡写真

栃木県産業技術センター

図８
３．３

研究報告

No.13（2016）

6号

CO 2 鋳 型

薄肉部

6号

凍 結鋳 型

薄肉部

7号

凍 結鋳 型

薄肉部

注湯温度と肉厚の関係

金属組織

図９に試作品断面のチル（急冷組織）の分布を，図10 に薄肉部中央の金属組織を示す。CO 2 鋳型の試作品
は，薄肉部は全てチルが観察された。一方，6 号の凍結鋳型の試作品は薄肉部の一部にわずかに観察され，7号の凍結鋳型の試作品には全く観察されなかった。本
研究に使用した試作型形状では，凍結鋳型は CO 2 鋳型に比べ薄肉部の冷却速度が緩やかであると推測される。

6号

CO 2 鋳 型

図 106号

試作品薄肉部中央の金属組織

凍 結鋳 型

４

おわりに試作型を作製し，凍結鋳型の造型，鋳造，試作品の評価を行った結果，以下のことが分かった。
（1）試作型にフッ素樹脂コーティングを施し凍結時間
7号を短時間にすることで，破損が無く凍結・抜型時

凍 結鋳 型

間を短縮する効率的な造型条件に道筋が付いた。
チル
図９

試作品断面のチルの分布（2）鋳型に乗せる重りを通常より増量し，緩やかに注湯することでバリを低減することができた。
（3）鋳肌の粗さは，鋳型に使用する砂の粒度を細かくすることで改善が認められた。
（4）金属組織観察結果から，凍結鋳型は，CO 2 鋳型に比べ薄肉部の冷却速度が緩やかと考えられ，薄肉
鋳物を健全な組織に鋳造できる可能性が得られた。

－ 14 －

栃木県産業技術センター

謝辞本研究を実施するにあたって，岩手大学工学部附属
鋳造技術研究センター合研究所
ープ堀江皓客員教授，産業技術総

構造材料研究部門

研究報告

No.13（2016）参考文献
1) 徳永ほか，"素形材"，Vol.47，29-34，（2006）
2) 石川信幸ほか，"栃木県産業技術センター研究報告

軽量部材鋳造技術グル№12"，91-94，（2015）多田周二氏，尾村直紀氏には多大なる支援を受けたのでここに感謝の意を表する。また，本事業で用本研究は，公益財団法人 JKA

いた測定機の一部は公益財団法人 JKA の補助事業によ補助事業により整備した機るものであり，競輪マークを記して謝意を表する。

器を活用して実施しました。

－ 15 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

重点共同研究（フードバレーとちぎ）

県産果実ピューレの高品質化に関する研究伊藤和子*

阿久津 智美*

瞬*

福嶋

須谷

潤**

馬田

紘樹**

Production of High Quality Purees Using Fruits Cultivated in Tochigi Prefecture
Kazuko ITOH, Satomi AKUTSU, Shun FUKUSHIMA, Jun SUTANI and Hiroki MADA
県産果実（いちご（とちおとめ），トマト，梨）を用いたピューレの高品質化を目指し，減圧濃縮及び香気成分のカットバックを検討した。減圧濃縮ピューレは，加熱濃縮ピューレと比較すると豊かな香気成分を含有し，機能性成分も保持していることがわかった。また，色調も優れていることがわかった。
また，保管条件による検討では，アルミ蒸着容器で-30℃に保存したものが特徴的な香気成分を保持していることがわかった。
Key Words : 減圧濃縮ピューレ，加熱濃縮ピューレ，香気成分，機能性成分

１

はじめに

ターを用いて減圧濃縮（加熱温度 55℃，真空度 31hPa）

フードバレーとちぎ推進協議会「県産品利用拡大研したものを減圧濃縮ピューレとした。減圧濃縮時に留究部会

未利用素材活用研究分科会」において，県産出液を一定量ずつ分取し，香気成分を分析した。留出果実を用いた商品開発を検討した際に一次加工品の通液を減圧濃縮ピューレに戻すことをカットバックと

年安定供給が課題とされた。一次加工品の形態としてし，戻したピューレをカットバックピューレとした。

は，ピューレまたはフリーズドライ品が望ましいとさ

また，比較のために，減圧濃縮法と同じ濃縮度合いでれたが，フリーズドライ品は，小規模での処理を行う

加熱濃縮ピューレを作製した。

企業が県内に存在しないことや，コストがかかること

２．３

香気成分分析

から，ピューレについて検討を進めた。しかし現在製

香気成分は，留出液に関しては Stir Bar Sorptive品として提供されているピューレは濃縮が不十分で，

Extraction(SBSE)法，ピューレに関しては Head Space

使用する企業が必要とする濃度とするには現在の濃縮

Sorptive Extraction(HSSE)法により行った。香気成分

法では，香気成分の揮発や加熱臭の発生，ピューレをの吸着材には，Twister（Gerstel 社製）を用いた。留

冷凍保管する際の香気成分の揮散などが問題となって出液は 10ml に内部標準としてイソプロパノールを添いる。

加し，室温で 1 時間吸着材を回転させながら香りを吸そこで，本研究では減圧濃縮法を用い，加熱臭を抑着させた。ピューレは 10g×3 にそれぞれ内部標準とし

え，風味・香味の優れた濃縮ピューレを開発し，製品て イ ソ プ ロ パ ノ ー ル を 添 加 し ， 40℃ 20 時 間 吸 着 さ せの高品質化につなげたので報告する。

た。その後，加熱脱着装置（Gerstel 社製）つきガス
クロマトグラフ質量分析計(GC/MS)（GC6890N,MS5973:

２
２．１

研究の方法

Agilent Technologies 社製）を用いて測定を行った。

原料

加 熱 脱 着 装 置 の 温 度 条 件 は ， TDS:20℃ (1min)-60℃

いちごは栃木県産「とちおとめ」を用いた。トマト/min 昇温-210℃(4min)とし，CIS:-150℃(0.01min)-12は栃木県産「赤い恋人」を用いた。梨は栃木県産「に℃/sec 昇温-210℃(5min)とした。GC/MS 条件は，カラっこり」を用いた。

ム ： Inertcap

２．２

Sciences 製 )， オ ー ブ ン 温 度 ： 40℃ (3min)-10℃ /min

減圧濃縮

pure

WAX(30m,0.25mm,0.25 μ m:GL

果実をフードプロセッサーにかけ，濾し器を通して昇温-150℃-20℃/min 昇温-250℃(5min)，キャリアガ

ピューレを作製した。このピューレを濃縮前ピューレ

ス：ヘリウム 1ml/min，トランスファーライン温度：とした。そのピューレに対してロータリーエバポレー

250℃，イオン源温度：230℃，イオン化モード：EI，*

栃木県産業技術センター

イオン化電圧：70eV で測定を行った。

**

タカ食品工業(株)食品技術部－ 16 －

栃木県産業技術センター

２．４

研究報告

No.13（2016）

成分分析

酸度は，0.1M 水酸化ナトリウム溶液による滴定で測定した。カリステフィンは，阿久津らの方法 1 ) にしたがって測定した。アミノ酸含有量は，高速アミノ酸分析計（JLC-500V:日本電子製）を用いて測定した。糖類は，衛生試験法・注解 2) を参考に高速液体クロマトグ
ラフ（Prominence:島津製作所製）により分析した。色調は，分光測色計（CM-5:コニカミノルタ製）で測定 し

図３

いちごピューレのカリステフィン分析結果た。
また，減圧濃縮前後及び加熱濃縮における，酸度と３
３．１

結果及び考察カリステフィン濃度の変化をそれぞれ図２，３に示し

いちごピューレの検討た。

いちごピューレの減圧濃縮ピューレ，No.1 ピューレ

カットバックピューレの酸度は，濃縮前の 1.15 倍，（留出液１をカットバックしたもの），No.2 ピューレ

加熱濃縮の 1.08 倍であった。カリステフィン濃度は，（留出液１と２をカットバックしたもの），No.3 ピュ

濃縮前の 1.24 倍，加熱濃縮の 1.35 倍であった。

ーレ（留出液１，２及び３をカットバックしたもの）

また，色調評価の結果を表１に示した。３種類のカ及び加熱濃縮ピューレについて香気成分分析を行った

ットバックピューレの色調はほぼ同じであったが，加結果を，図１に示した。

熱濃縮ピューレは色調が暗く赤色度が低くなり，目視で異なる色調になることがわかった。
表１

いちごピューレの色調評価結果

L*
36.38
35.46
35.81
30.50

No.1
No.2
No.3
加熱濃縮

a*
28.65
28.67
27.99
21.14

b*
12.98
12.44
11.77
12.18

⊿E
−
1.07
1.50
9.57

注）⊿Ｅ：色差
３．２
図１

いちごピューレの香気成分分析結果

トマトピューレの検討

トマトピューレの減圧濃縮ピューレ，No.1 ピューレ
（留出液１をカットバックしたもの），No.2 ピューレ

No.1 は，とちおとめに特徴的なイチゴの香りが増（留出液１と２をカットバックしたもの）及び加熱濃え，官能評価においても最も良い評価であった。No.2,3

縮ピューレについて香気成分分析を行った結果を，図はグリーンな香り及び脂肪臭が増えていくことが，エ４に示した。

グ味につながっていると考えられた。加熱濃縮では，官能評価では甘い香りを強く感じるが，香りの量は増えておらず，全体的に香りの量が減少しているため，より甘い香りが強調されると考えられた。

図２

いちごピューレの酸度分析結果

図４－ 17 －

トマトピューレの香気成分分析結果

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

香気成分のカットバックにより，果実の香り・甘い３．３

梨ピューレの検討

香り・バラの香り・さわやかな香り・ウッディーな香

梨ピューレの減圧濃縮ピューレ，No.1 ピューレ（留り・さわやかなトマトの香り・グリーンな香り等が付

出液１をカットバックしたもの），No.2 ピューレ（留与された。この結果と官能評価により，No.2 ピューレ

出液１と２をカットバックしたもの）及び加熱濃縮ピが最適と考えられた。加熱濃縮ピューレは全体的に香ューレについて香気成分分析を行った結果を，図７にりが少なかった。

示した。

また，減圧濃縮前後及び加熱濃縮における，酸度と分岐鎖アミノ酸の変化をそれぞれ図５，６に示した。
カットバックピューレの酸度は，濃縮前の 1.66 倍となったが，加熱濃縮との差は認められなかった。分岐鎖
アミノ酸含有量は，イソロイシンは濃縮前の約 2 倍，
加熱濃縮の 1.2 倍であった。ロイシンは濃縮前の 1.9倍，加熱濃縮の 1.2 倍となった。

図７

梨ピューレの香気成分分析結果

香気成分のカットバックにより，バラの香り・果実の香り・グリーンな香り・発酵臭等が付与された。この結果と官能評価により，No.1 ピューレが最適と考えられた。
また，減圧濃縮前後及び加熱濃縮における，酸度と
図５

トマトピューレの酸度分析結果

糖類の変化をそれぞれ図８，９に示した。カットバッ
クピューレの酸度は，濃縮前の約 1.5 倍となったが，加熱濃縮との差は認められなかった糖類含有量は，ソルビトールは濃縮前の 1.3 倍，加熱濃縮の 1.2 倍であった。また，加熱濃縮と比較すると，スクロースは 0.9
倍，フルクトースは 1.2 倍となり，カロリーが低く甘みの強いピューレとなっていた。

図６

トマトピューレの分岐鎖アミノ酸分析結果

また，色調評価の結果を表２に示した。２種類のカットバックピューレの色調はほぼ同じであったが，加熱濃縮ピューレは色調が暗く赤色度が低くなり黄色度
図８が増加していた。
表２

No.1
No.2
加熱濃縮

また，色調評価の結果を表３に示した。２種類のカトマトピューレの色調評価結果

L*
26.80
26.97
26.62

a*
30.61
30.93
28.89

b*
23.36
23.20
29.13

梨ピューレの酸度分析結果

⊿E
−
0.40
6.02

ットバックピューレの色調はほぼ同じであったが，加熱濃縮ピューレは色調が暗く赤色度が低くなり黄色度が増加していた。

注）⊿Ｅ：色差－ 18 －

栃木県産業技術センター

４

研究報告

No.13（2016）

おわりにいちご・トマト・梨各ピューレの減圧濃縮法及び香気成分のカットバック法を検討した。
加熱濃縮ピューレと比較すると，減圧濃縮及び香気成分のカットバックピューレは，豊かな香気成分が含まれ，機能性成分も保持されていることがわかった。
また，色調の点でも優れていることがわかった。
今 後 は ，留 出 液 を 濃 縮 し て 減 圧 濃 縮 ピ ュ ー レ に 添
加 す る 方 法 の 検 討 を 行 う と と も に ，栃 木 県 産 の 高 級
図９

梨ピューレの糖類分析結果

果実を用いた減圧濃縮ピューレ製造方法の検討を行う予定である。

表３

No.1
No.2
加熱濃縮

梨ピューレの色調評価結果

L*
45.01
44.54
48.95

a*
-2.40
-2.34
-3.86

b*
6.92
6.34
14.11

⊿E
−
0.75
8.34

参考文献
1) 阿久津智美ほか："栃木県産業技術センター研究報告
No.7"，75-79，(2010)2) 日 本 薬 学 会 編 ： "衛 生 試 験 法 ・ 注 解 2005"， 金 原
出 版 (株 )， 183-185， (2005)

注）⊿Ｅ：色差－ 19 －

Ⅱ 共同研究

Cooperative Research栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

高機能多結晶ダイヤモンド工具の高生産性・低コスト化技術を支援するための、大型焼結体製造技術と工具形状成型技術の開発
研究開発期間平成 25 年度〜平成 27 年度

分

切削加工

野

ることで、高度化目標「エ．新材料（CFRP等）加工対応」を解決した。（図2）
具体的な成果として、1）10mmの厚みを有するPCD素材の合成、2）大気圧プラズマトーチによるダイヤモンドの加工技術およびPCD上へのCVDダイヤモンド膜の追成長技術の開発、3）PCD素材情報を元にした工具形状の最適化技術の開発を達成した。

川下の抱える課題及びニーズ◦航空機に関する事項
燃費向上

高度化目標
新材料（CFRP 等）加工対応

研究開発の背景及び経緯
現在、航空機及び自動車業界においては、軽量化による燃費の向上を目的に多くの部分で炭素繊維強化プラスチック（CFRP）が使用されてきている。このCFRPは加工が非常に困難であることから、加工に適した工具の開発が望まれている。CFRP切削加工工具用素材としてはダイヤモン
ドが適しているとされており、ダイヤモンドコーティング
工具及びダイヤモンド焼結体（PCD）が使用されているものの、加工性、形状自由度及びコスト等について課題がある。
本研究開発では、軽量かつ高強度なCFRPや重積材の切削加工に用いる高機能PCD工具の高生産性・低コスト化を実現するための大型焼結体製造技術と工具形状成型技術の開発を行う。

図1

PCD合成に使用する装置概略

表1

CFRP加工用工具の性能比較

開

本事業
層の厚い
して10m
図3に示
分は超硬
硬素材部
工具素
加工が可
実現して
また、
ことで、
先の温度
けない刃
最後に
削減で重
に気相合
大気圧プ
前処理を
可能とな
短時間で
大気圧プ
を確立し

焼

研究開発の概要及び成果
現在、CFRPの加工に使用されている工具は、超硬（WCCo）もしくは気相合成によるダイヤモンドがコーティング
された物である。超硬工具は摩耗が早く短寿命であり、コー
ティング工具は①再研磨が出来ない、②コーティングの厚さ分丸くなり鋭利な刃先が形成されない、③最適化されなければ剥離する等の問題点が存在している。一方で、ダイ
ヤモンドの粉を高温高圧で焼き固めたPCDはCFRP加工用
工具の素材として最適と考えられる。（図1、表1）
現 在 市 販 さ れ て い るPCDは、 殆 ど が ダ イ ヤ モ ン ド 層
0.5mm程度と非常に薄いため、工具設計上、超硬との複合構造となり多くの問題点を有している。この問題点を解決する為に課題1：PCDサイズ課題（ダイヤ層の厚み不足）を設定し、焼結条件及びバインダーや造粒方法を見直す事
で直径50mm、厚み10mmのPCDを開発した。さらに、大型PCDの導入により新たに発生する課題として、課題2：
PCD加工性課題（工具形状への加工が困難）、課題3：放電
加工課題（放電ダメージ層の存在）を設定した。各課題を研究開発することで優れた工具素材を提供する体制を整え、
CFRP加工に対する最適な工具が供給される環境を構築す

62

ダ

事業
図2

開発ターゲット

関東経済産業局 戦略的基盤技術高度化支援事業
研究開発成果事例集（平成25年度～平成26年度採択事業）から抜粋－ 20 －

◎所
◎担
◎T
◎プ
◎プ
◎主

栃木県産業技術センター

委託事業
［一般型］

開発素材ドリル温度解析（チャンファの影響）開発された製品・技術のスペック
本事業で開発された製品は従来には無いダイヤモンド
層の厚いPCDである。従来のPCDの厚みが0.5mm程度に対して10mm以上の非常に厚いダイヤモンド層を有している。
図3に示す黒色部分がダイヤモンドで構成され、金属色部
分は超硬素材となっており、工具化等が容易になる様に超硬素材部分も厚く構成されている。
工具素材の切出しも従来と比較して倍以上の速度で放電加工が可能であり、コスト削減と工具デザインの自由度を実現しているのが特徴である。
また、開発素材の特性を考慮してシミュレーションする
ことで、効率的に工具を設計する技術も開発した。工具刃
先の温度を予測し、熱に弱いダイヤモンドがダメージを受けない刃先形状の検討事例を図4に示す。
最後に、開発素材の特徴である再研磨による工具コスト削減で重要となる技術について紹介する。摩滅した刃先部に気相合成法でダイヤモンドを合成し刃付け研磨を行う為、大気圧プラズマトーチを開発した（図5）。このトーチで前処理を行うことで、摩滅部分にダイヤモンド膜の肉盛が可能となった。また研磨困難な気相合成ダイヤモンド膜を短時間で研磨できる気相エッチング条件を見出すとともに、大気圧プラズマを併用したメカノケミカル研磨の基盤技術を確立した。
焼結合成素材断面

切削条件：切削速度 30 m/min
切削厚さ 0.05mm

•
•

切削加工

るPCD素
ヤモンド
の追成長
状の最適

No.13（2016）

25年度採択

開発

工対応」

研究報告

チャンファが切削温度に及ぼす影響は小さい
600℃以下(材料が炭化する温度以下)で切削できる
図4

開発されたPCD素材の工具形状最適化技術

ドリル素材丸棒切出し

Ar-O2プラズマ
ダイヤ層12mm
ドリル素材丸棒

図3

ダイヤ層12mm
PCDドリル

新規開発された大気圧プラズマトーチ

ダイヤモンド膜 ⇒ エッチング後

開発素材からドリル作製の手順
図5

新規開発されたダイヤモンド加工用の大気圧プラズマトーチ及び加工結果

この研究へのお問い合わせ
事業管理機関名 公益財団法人栃木県産業振興センター◎所在地：〒 321-3226 栃木県宇都宮市ゆいの杜 1-5-40◎担当者：関口 徹◎ TEL：028-670-2602 ◎ FAX：028-670-2611 ◎ E-mail：kenkyu@tochigi-iin.or.jp◎プロジェクト参画研究機関（大学、公設試等）：学校法人日本工業大学、栃木県産業技術センター◎プロジェクト参画研究機関（企業）：トーメイダイヤ株式会社◎主たる研究実施場所：トーメイダイヤ株式会社 小山工場
関東経済産業局 戦略的基盤技術高度化支援事業

研究開発成果事例集（平成25年度～平成26年度採択事業）から抜粋－ 21 －

63栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

共同研究

植物育成を指向した多孔性ハイドロゲルの開発
仁平 淳史*

太田 英佑*

小林 愛雲*

湯澤 祥**

湯澤 真人**

Fabrication of Porous Hydrogels Oriented toward Plant Cultivation
Atsushi NIHEI, Eisuke OTA, Azumi KOBAYASHI, Takashi YUZAWA and Masato YUZAWA
多孔性の HEC ゲルを合成し，潅水の繰返しによるゲルからの肥料成分の溶出を評価したところ，硝酸イオンとリン酸イオンの溶出が慣行土壌よりも緩やかであった。また潅水制限条件における白菜の育苗試験を行った結果，気孔径 2.40mm，気孔率 10%の多孔性ゲル培地が慣行土壌よりも生育に優れた。
Key Words : 多孔性ゲル，ヒドロキシエチルセルロース，保肥性，育苗

１ はじめに水性能を評価した。湿潤重量の経時変化を測定し，次式により壁面緑化施工時の土壌の保水性向上を目的に，吸水性ポリマ

膨潤度と含水率を算出した。

ー（ハイドロゲル）が利用されている。土壌の透水性を確保しながら保水量を向上させるためにはハイドロゲルの利用が有効

膨潤度= Mhydrated/ Mdry

であると考えられるが，植物の根がハイドロゲルに進入せず，

Mhydrated:吸水時のポリマー及び土壌重量(g)より効果的な保水に繋がらないという課題も見受けられる。平

Mdry:105℃，24h 乾燥時のポリマー及び土壌重量(g)

成２６年度の共同研究の成果から，バルクサイズのハイドロゲ

含水率=(Mhydrated-Mdry)/Mhydrated×100

ルにおいて，水の流動性や余剰水分の排水性，通気性を確保できれば，長期の育苗が可能であることが示唆された 1)。

２．３ 多孔性 HEC ゲルの保肥性評価

そこで本研究では，ゲル内部への継続的な酸素供給を実現す

あらかじめイオン交換水を用いて洗浄した慣行土壌と多孔性るために，多孔構造を有するハイドロゲルの合成を検討し，育ゲルを 22℃で乾燥固化させ，100mg を採取した。採取試料に硝苗試験や保水・保肥性能を評価し，植物育成材料としての実用

酸性窒素，アンモニア性窒素，水溶性リン酸，水溶性カリウム性を検討したので報告する。

を含む市販液体肥料の 100 倍希釈液 0.2ml を滴下・吸収させ，再度 22℃で乾燥固化させた。乾燥した試料をガラス管に充填し，２ 研究の方法

試料直下にテフロンメッシュを固定し，試料の落下を防止した。

２．１ 多孔性 HEC ゲルの合成

1 潅水あたりイオン交換水 5ml を試料に滴下し，試料を通過しヒドロキシエチルセルロース（HEC）(ALDRICH average Mw～

た溶液を回収した。潅水を 10 回繰返し，回収した溶液をイオ

250,000)を水に溶解し，7.0wt%溶液を調製した。調製した HEC

ンクロマトグラフ(DIONEX ICS-1100，ICS-2100)を用いて測定溶液に所定量のエチレングリコールジグリシジルエーテル

し，硝酸イオン，リン酸イオン，アンモニウムイオン，カリウ（EGDE）(東京化成)と 5M 水酸化カリウム水溶液を加え，ムイオン濃度を定量することにより，潅水毎の溶出率を求めた。

pH=12.8 の粘ちょうなプレゲル溶液を調製した。その後 60℃の

なお陽イオン測定には分離カラム：IonPac CS-16，ガードカラ

恒温器中に静置し，24 時間反応させ HEC ゲルを合成した。反応

ム：IonPac CG-16，溶離液：30mM メタンスルホン酸を，陰イオ

後 HEC ゲルを多量の 50wt%イソプロピルアルコール水溶液に浸ン測定には分離カラム：IonPac AS-19，ガードカラム：IonPac

漬し，未反応の EGDE を除去した後，所定の方法にてゲル内部

AG-19，溶離液：KOH（溶離液ジェネレーター使用）を用いた。

に多孔構造を導入した。最後に多量の水を用いて浸漬洗浄を行

２．４ 多孔性 HEC ゲルを用いた育苗試験

い，多孔性の HEC ゲルを得た。

試作した各種多孔性 HEC ゲルを用いて白菜の育苗試験を行っ

２．２ 多孔性 HEC ゲルの保水性評価

た。50ml プラスチック遠心管の底部先端をカットし，慣行土壌

50ml プラスチック遠心管に湿潤状態の慣行土壌（バーミキュ

及びゲルの流出を防止するためのコットンワイパーを充填し，ライト）と多孔性ゲルを充填し，20℃の恒温環境下における保その上部に慣行土壌とゲルをそれぞれ充填した。その後最上部* 栃木県産業技術センター 材料技術部** 株式会社イングスに種を蒔き，少量のバーミキュライトを用いて覆土した。遠心管全体を遮光シートで覆い，恒温恒湿器中で 25℃，80%RH の雰－ 22 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

囲気で発芽させた後，20℃のハウス内で育苗を行った。発芽後した HEC ゲルはポリマーに電荷を持たないノニオン性であるこは潅水間隔を 5 日に制御し，慣行土壌と多孔性ゲルにおける生とから，肥料成分の溶出はゲルの膨潤過程における水分の吸収

育性について，地上部重，草丈，葉数により評価した。

に起因するイオン成分の拡散によるものと考えられる。そのため，ゲルからの肥料成分の溶出は潅水回数に比例して直線的に３ 結果及び考察

増加するものと推察した。

３．１ 多孔性 HEC ゲルの保水性
図１に 20℃の恒温環境中における慣行土壌と多孔性ゲルの含水率の経時変化を示す。240 時間後において，慣行土壌の含水率は初期に比べ約 20％減少した。一方で多孔性ゲルは 95％以上の高い含水率を保持しており，慣行土壌よりも高い保水力と持続性を有することが分かった。
３．２ 多孔性 HEC ゲルの保肥性
図２に慣行土壌と気孔径 2.40mm を有する多孔性 HEC ゲルの保肥性評価結果を示す。慣行土壌では潅水による硝酸イオンとリン酸イオンの溶出が速く，この２成分については試作した多孔性ゲルの溶出速度が緩やかであることが分かった。一方で慣行土壌のカリウムイオンとアンモニウムイオンの溶出について
は，潅水初期はゲルよりも溶出率が高いものの，潅水回数が 5

図１ 多孔性 HEC ゲルの保水性回を超えたところからは，ゲルからの溶出が上回った。これは慣行土壌のバーミキュライトが陽イオン交換能を有するため，
潅水による溶出が抑制されたためと推察される。本研究で試作

図２ 多孔性 HEC ゲルの保肥性－ 23 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

３．３ 育苗試験結果

４ おわりに

表１に多孔性 HEC ゲルを用いた白菜の育苗試験結果を示す。

多孔性の HEC ゲルを合成し，保水性や保肥性評価，育苗試験

潅水の抑制により，気孔径 2.40mm，気孔率 10%からなる条件がにより次の結果を得た。

最も生育に優れた。無気孔ゲルよりも気孔を形成させたゲルの（1）多孔性 HEC ゲルは潅水による硝酸イオンとリン酸イオン方が草丈と葉数が増加する傾向がみられ，気孔形成による酸素の溶出は穏やかであるが，カリウムイオンとアンモニウ供給の効果が出たものと推察する。一方で気孔径や気孔形成量

ムイオンについては，潅水５回目以降から慣行土壌を上を増加させても，生育の向上は見られなかったことから，苗の生育にはゲル内部の気孔径や気孔率が大きく影響しているもの

回る溶出率となった。
（2）多孔性 HEC ゲルは保水力が高く，240 時間後における含水と考えられる。
表１ 多孔性 HEC ゲルを用いた育苗試験結果

率の減少は 2%程度であった。
（3）潅水抑制条件にて育苗を行った結果，気孔径 2.40mm，気孔率 10%の多孔性ゲル培地が，慣行培地よりも苗の生育に
優れた。
謝

辞

本事業で用いた測定機の一部は公益財団法人 JKA の補助事業によるものであり，競輪マークを記して謝意を表する。
参考文献
1)

仁平淳史，太田英佑，小林愛雲，湯澤 祥，湯澤真人："
栃木県産業技術センター研究報告 No.12"，7-9，(2015)
本研究は，公益財団法人 JKA 補助事業により整備した機器を活用して実施しました。

－ 24 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

共同研究

希土類酸化物含有ゼオライトを用いた排ガス浄化触媒の開発（第２報）
加藤 栄*

金田 健*

鶴永 賢**

岡村 達也**

小林 範浩**

松本 泰治*

Preparation of Zeolites Included Rare-earth Oxides as a Catalyst for Carbon Oxidation(2nd Report)
Sakae KATO, Takeshi KANEDA, Ken TSURUNAGA,
Tatsuya OKAMURA, Norihiro KOBAYASHI and Taiji MATSUMOTO
六角板状形態を有するリンデ Q ゼオライトを母結晶とし，イオン交換法で Ce3+と Pr3+を均一に分散させ，加熱して，板状粒子内に Pr 固溶酸化セリウムナノ粒子を合成した。リンデ Q ゼオライトに導入する Ce3+とPr3+のイオン交換率比を制御することで，酸化セリウムナノ粒子への Pr 固溶量を制御できた。Pr 固溶酸化セ
リウムナノ粒子の粒径は 10～20nm であり，板状粒子内に分散して存在することを確認した。さらに，アルカリ処理によって，Pr 固溶酸化セリウムナノ粒子の表面を覆う非晶質層の溶解を試み，得られた試料のカー
ボン酸化触媒特性を評価した。その結果，炭酸ナトリウムを用いたアルカリ溶融により，酸化セリウムナノ
粒子の表面露出に成功し，カーボン酸化触媒活性の発現を確認した。
Key words: ゼオライト，酸化セリウム，ナノ粒子，PM 酸化触媒，プラセオジム

１ はじめに酸化は活性点が炭素との接点に限定されることから，酸化セリ

ディーゼルエンジンは希薄燃焼エンジンであり，エネルギー

ウムの微粒子化と分散状態の維持が重要となっている。また，

効率（燃費）に優れ，少ない燃料で運転されるので，CO2 発生量

酸化セリウムに，プラセオジムなどの酸化物を添加した固溶体が少なく地球温暖化の抑制に効果的とされている。しかしながで，PM 酸化活性が向上する報告がある 1)。

ら，排出ガスに含まれる人体に有害な窒素酸化物（NOx）や粒子

筆者らは，六角板状形態を有するリンデ Q ゼオライト（以下，状物質（パティキュレートマター：PM）の放出量が多く，そのリンデ Q）に 2)，イオン交換法でセリウムイオン（以下，Ce3+）

処理が必要となる。近年，NOx や PM の発生量はかなり低減されを導入し，その加熱した試料の構造内に，10 数 nm の酸化セリウているものの，排ガスに対する規制は年次的に厳しく設定されこの酸化セリウムナノ
ム結晶粒子が生成することを見出した 3)。

ており，排ガス処理の新しい技術の導入が期待されている。

粒子分散板状ゼオライト中の酸化セリウムは，粒径の揃ったナ

PM の主成分であるすすは，フィルタによりろ過するシステム

ノ粒子であり，粒子内に分散して存在することから，高い触媒（ディーゼルパティキュレートフィルタ：DPF）で処理されてい活性を有すると考えられる。しかしながら，酸化セリウムナノ

るが，PM をろ過し続けると，フィルタが目詰まりを起こしてし粒子分散板状ゼオライトでは，酸化セリウムナノ粒子が母結晶まう。このため，堆積した PM を酸化除去（燃焼）する必要があであるゼオライト粒子の内部に存在することから，このままでるが，PM を熱だけで燃焼するためには 600℃以上の高温が必要

は触媒活性を示さない 4)。前報において 5)，水酸化カリウムを用となる。PM を燃焼する触媒として，現在，用いられている Pt

いたアルカリ処理により，酸化セリウムナノ粒子の表面を覆う

触媒は，NO2 の酸化力を利用して PM を燃焼させているが，厳し非晶質層が溶解し，酸化セリウムナノ粒子分散板状ゼオライト

い NOx 排出量規制に対応するための技術進歩により，排ガス中のがカーボン酸化触媒活性を示すことが明らかとなった。

NOx 濃度は大幅に低減されると考えられている。また，今後の燃本研究では，イオン交換処理により，リンデ Q 構造内に Ce3+

費規制の実施に伴い，エンジンの燃焼効率の向上が図られるとと，酸化セリウムに固溶させると触媒性能が向上すると言われ排ガス温度が低下する。そのため，NOx が存在しない条件下でかているプラセオジムイオン（以下，Pr3+）を均一に分散させ，そつ低温で PM を酸化除去する触媒の開発が求められている。

の Ce3+，Pr3+交換リンデ Q を加熱して，板状粒子内に Pr 固溶酸

酸化セリウムは優れた PM 酸化特性を有し，熱安定性にも優れ化セリウムナノ粒子を合成した。さらに，アルカリ処理によるていることから DPF 用の酸化触媒として有望視されている。PMPr 固溶酸化セリウムナノ粒子分散ゼオライトの PM 燃焼触媒特*性の活性化を検討したので報告する。

栃木県産業技術センター 材料技術部** 吉澤石灰工業㈱－ 25 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

２ 研究の方法

溶液を用いることにより，同時にイオン交換処理できることが分かった。また， Ce3+及び Pr3+イオン交換率は混合イオン交換

２．１ 試料K 型リンデ Q（K2O･Al2O3･2SiO2･xH2O） は平均粒径が 0.88μm，溶液の濃度に概ね比例した。さらに，混合イオン交換溶液の濃厚さが約 100nm の試料を合成した。

度が Ce3+と Pr3+ともに 0.1 mol･dm-3 のイオン交換では，Ce3+と Pr3+

２．２ Pr 固溶酸化セリウムナノ粒子分散板状ゼオライトの調

イオン交換率は同じ値となり，リンデ Q のイオン交換において，製

Ce3+と Pr3+のイオン交換選択性に大きな差がないことが分かっ

テフロン密閉容器に K 型リンデ Q8g を量り取り，Ce(NO)3 とた。

PrCl3 の混合イオン交換溶液（Ce(NO)3 濃度：0.1 mol･dm-3，PrCl3-3

図１に加熱試料の X 線回折図を示す。すべての加熱試料から，

濃度：0，0.01,0.03,0.05 及び 0.1 mol･dm ）60ml を加え，90℃

酸化セリウム結晶構造に帰属されるピークがみられ，かつ，その恒温槽中にて 24 時間イオン交換処理を行った。イオン交換試

れらのピークの半値幅が広いことから，酸化セリウムはナノ粒

料はろ過，洗浄後，40℃で乾燥した。

子であることが示唆された。
また，母材は Ce3+＋Pr3+イオン交換率が小さい試料ではゼオラ

イオン交換試料を，大気中，900℃で一時間加熱し，加熱試料を得た。

イト構造を維持するが，Ce3+＋Pr3+イオン交換率が大きい試料で２．３ Pr 固溶酸化セリウムナノ粒子分散板状ゼオライトの活は非晶質となることが分かった。このことは，希土類元素イオ

性化処理

ン交換率が異なるとリンデ Q の熱挙動に相違があり，希土類元-3

テフロン容器に，加熱試料 0.5g と 3.0mol･dm KOH 溶液 25ml
を加え，90℃，24 時間，アルカリ処理を行った（以下，アルカ

素イオン交換率 45.1%のリンデ Q は熱安定性が高いことを示している。

リ処理試料）。アルカリ処理試料はろ過，洗浄後，40℃で乾燥した。

表１ イオン交換試料の定量分析結果

また，白金るつぼに，加熱試料 1g と炭酸ナトリウム 10g を加え，電気炉で 880℃に加熱して炭酸ナトリウムを溶融させた。室

sample

温まで冷却して得られた固形試料を希塩酸に溶解し，ろ過，洗Ce‐Q

浄後，40℃で乾燥した（以下，アルカリ溶融試料）。
２．４ 評価イオン交換試料を酸分解し，誘導結合プラズマ発光分析装置

Ce(NO3) 3
PrCl 3 conc.
conc.
mol･dm

‐3

mass%

mass%

10.3
10.1

0
0.89

10.5
9.45

45.1
45.4

0
4.97

Ce 0.9Pr0.1‐Q

0.1
0.1

Ce 0.8Pr0.2‐Q

0.1

0.03

10.4

2.98

7.24

47.3

13.5

Ce 0.7Pr0.3‐Q

0.1
0.1

0.05
0.1

9.15
7.90

4.50
7.93

7.05
5.33

41.5
35.6

20.3
35.6

Ce 0.5Pr0.5‐Q

粉末 X 線回折(XRD)（理学電機 RINT2550）により試料の結晶相を同定し，格子定数と Scherrer 法を用いて結晶子サイズを算出した。電界放射型走査型電子顕微鏡（FE-SEM，日本電子
JSM-7400F）により形態，透過型電子顕微鏡（TEM）（日本電子
JEM-2010）により透過像を観察した。自記分光光度計（日本分
光 V-670）で，積分球を用いた拡散反射スペクトルを測定し，色彩計算により L*a*b*値を求めた。
また，カーボンブラック（Printex V;Degussa）と加熱試料，
アルカリ処理試料あるいはアルカリ溶融試料を混合し，示差熱熱重量同時測定（TG-DTA，マック・サイエンス TG-DTA2000S）を行い，カーボンブラックの燃焼温度を調べた。この温度を，試料とカーボンブラックのタイトコンタクトにおけるカーボン
酸化触媒活性として評価した。
３ 結果及び考察
図１ 加熱試料の X 線回折図

表１にイオン交換試料の定量分析結果を示す。リンデ Q 内の+K は Ce3+及び Pr3+と交換することを確認した。Ce3+と Pr3+は混合－ 26 －

3+

mass%

‐3

K

交換率を求めた。

３．１．１ 加熱試料

Pr ‐ex.ratio%

00.01

mol･dmPr（島津製作所 ICPS-8100CL）で Ce，Pr 及び K を定量し，イオン

３．１ キャラクタリゼーション

3+

Ce ‐
ex.ratio%Ce栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

表２ 加熱試料の L*a*b*値

sample
Ce‐Q

L*

a*

b*

95.21
89.33

‐0.64
4.50

1.79
7.38

Ce 0.7Pr0.3‐Q

82.62
80.73

7.32
8.49

10.31
12.05

Ce 0.5Pr0.5‐Q

80.52

7.39

11.31

Ce 0.9Pr0.1‐Q
Ce 0.8Pr0.2‐Q

表２に加熱試料の L*a*b*値を示す。Pr を含む加熱試料は赤褐
色を呈し，酸化セリウムに Pr が固溶したことが示唆された。また，Pr イオン交換率の大きい加熱試料ほど，L*値が小さく，a*
値及び b*値は大きくなり，色が濃くなったことを示している。
このことから，Pr イオン交換率の大きい試料ほど，加熱して生成する酸化セリウムの Pr 固溶量が多いと考えられる。
表３に，加熱試料中の酸化セリウムの格子定数及び結晶子サ
イズを示す。Pr イオン交換率の大きい加熱試料ほど，格子定数3+

図２ 加熱試料の TEM 写真

4+が大きくなった。Pr のイオン半径は，Ce のそれよりも大きいことから，Ce4+のサイトに Pr3+が置き換わると，酸化セリウムの３．１．２ 活性化処理試料

格子定数が大きくなると考えられる。したがって，格子定数の

図３にアルカリ処理試料，図４にアルカリ溶融試料の X 線回結果は，Pr イオン交換率が大きいと，加熱試料の酸化セリウム

折図を，表４に，各試料の酸化セリウムについて，Scherrer 法

への Pr3+固溶量が多くなることを示唆しており，前述の L*a*b*値から算出した結晶子サイズを示す。すべての試料で，酸化セリと同様の結果であった。しかしながら，Pr は Pr3+/Pr4+の混合物

ウムのピークが確認され，アルカリ処理及びアルカリ溶融によとして存在することが考えられ，Pr の酸化形態，固溶量についり，酸化セリウムが溶解することはなかった。特に，アルカリては，より詳細な検討が必要である。

溶融処理では，結晶子サイズの増大が見られ，酸化セリウムが3+3+また，結晶子サイズは，Ce ＋Pr イオン交換率の大きい試料
3+

ほど，Ce 含有量が少ないことに関わらず，大きくなる傾向がみ
3+結晶成長したことを示した。アルカリ処理試料は，処理後，母材の構造に大きな変化は見られなかった。一方，アルカリ溶融3+られた。このことは，Ce ＋Pr イオン交換率の大きい試料は，では，すべての試料でゼオライト構造を示すピークは消失した。

図１の XRD 結果においてリンデ Q の結晶構造が認められないこ

図５に，アルカリ溶融試料の FE-SEM 写真を示す。アルカリ溶とから，リンデ Q の熱安定性が低く，より低い温度で母材が非融で，非晶質である板状粒子は溶解し，不溶物が不定形の状態晶質化することにより，酸化セリウムの結晶化が進行することで観察された。その表面に，約 20nm の立方体粒子が観察され，によると考えられる。

これは非晶質層が溶解して露出した酸化セリウムナノ粒子であ

図２に加熱試料の TEM 写真を示す。TEM 写真から，六角板状粒ると思われる。

子であるリンデ Q 内部に，酸化セリウムナノ粒子，または Pr 固
溶酸化セリウムナノ粒子が分散して存在していることを確認した。また，ナノ粒子の粒径は，10～20nm であることが分かった。
表３ 加熱試料に含まれる酸化セリウムの格子定数及び結晶子サイズ

Ce‐Q

latticeconstanta (nm)
0.5420(1)avaragecrystallite size
D (nm)
13.3

Ce 0.9Pr0.1‐Q

0.5424(1)13.6

Ce 0.8Pr0.2‐Q

0.54259(7)14.8

Ce 0.7Pr0.3‐Q

0.5432(1)15.5

Ce 0.5Pr0.5‐Q

0.54372(7)15.8

sample

図３ アルカリ処理試料の X 線回折図

－ 27 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

酸化還元でCe の価数変化による放出される格子酸素が関与すると推定されている 1)。また，希土類元素などの第二成分を添加することで，格子酸素の放出（還元）を促進し，酸化セリウムの触媒活性を向上させることができると言われている。本試料では，複数の価数を示す Pr の酸化形態と固溶量が酸化セリウムの酸化活性の向上に寄与するものではなかったことから，カーボ
ン酸化触媒活性に Pr 固溶の効果が現れなかったと考えられる。

図５ アルカリ溶融試料の FE-SEM 写真
図４ アルカリ溶融試料の X 線回折図
表５ カーボン燃焼開始温度
T(ig) / ℃

表４ アルカリ処理試料及びアルカリ溶融試料に含まれる酸化セリウムの結晶子サイズ

Ce 0.8Pr0.2‐Q

14.8

14.5

19.7

Ce 0.7Pr0.3‐Q

15.5

15.0

21.2

Ce 0.5Pr0.5‐Q

15.8

15.6

21.5

Ce0.9Pr0.1‐Q

480.2
483.8

Ce0.8Pr0.2‐Q
Ce0.7Pr0.3‐Q

Ce‐Q

avarage crystallite size / D (nm)as‐heated alkali treating alkali fusion
Ce‐Q
13.3
13.8
36.3
Ce 0.9Pr0.1‐Q
13.6
14.2
21.2
sampleas‐heated

Ce0.5Pr0.5‐Q

alkali treating alkali fusion

444.7
447.7

384.5
405.5

487.2

456.6

386.0

497.2
500.4

459.2
465.3

405.3
378.1

４ おわりに
六角板状形態を有するリンデ Q を母結晶とし，イオン交換法
で Ce3+と Pr3+を均一に分散させ，加熱することで，板状粒子内に３．２ 酸化触媒活性の評価
表５に，カーボンブラックと各試料との混合物におけるカー

Pr 固溶酸化セリウムナノ粒子を合成した。さらに，アルカリ処

ボン燃焼開始温度を示す。なお，カーボンブラックのみでの燃理によって，Pr 固溶酸化セリウムナノ粒子の表面を覆う非晶質

焼開始温度は 517.6℃であった。すべての試料において，カーボ

層の溶解を試み，得られた試料のカーボン酸化触媒特性を評価

ン燃焼開始温度の低下が見られ，試料が触媒活性を示した。加した。その結果，炭酸ナトリウムを用いたアルカリ溶融により，熱試料は，酸化セリウムが粒子の内部に存在するため，酸化セ酸化セリウムナノ粒子の表面露出に成功し，カーボン酸化触媒

リウムの触媒活性は示さない。したがって，加熱試料において，活性の発現を確認した。

3+

3+

Ce ＋Pr イオン交換率が小さい試料，すなわち K 含有量の多い

本研究において，明らかとなった主な知見は次のとおりであ

試料ほどカーボン燃焼開始温度が低くなったことは，K による触る。

媒活性であると推察される。

（1）イオン交換処理により，リンデ Q 構造内に Ce3+と Pr3+を同時に導入し，加熱することで，板状粒子内に Pr 固溶酸化アルカリ処理試料及びアルカリ溶融試料は，加熱試料よりもセリウムナノ粒子を合成することができた。

カーボン燃焼開始温度を低下させることが分かった。これは，これらの活性化処理により，非晶質部分が溶解し，表面に酸化（2）リンデ Q に導入する Ce3+と Pr3+のイオン交換率比を制御す

セリウムナノ粒子が露出したことによると思われる。特に，アることで，酸化セリウムナノ粒子への Pr 固溶量を制御でルカリ溶融処理試料では，図５の FE-SEM 写真が示すとおり，酸きると考えられる。

化セリウムナノ粒子の表面露出が確認されており，酸化セリウ（3）Pr 固溶酸化セリウムナノ粒子の粒径は 10～20nm であり，ムが触媒活性を十分に発揮し，約 400℃までカーボン燃焼開始温

板状粒子内に分散して存在することが確認された。
（4）水酸化カリウムを用いたアルカリ処理，炭酸ナトリウムを度を低下させたと考えられる。
また，アルカリ溶融試料では，Pr 固溶量の異なる試料で，カ用いたアルカリ溶融により，Pr 固溶酸化セリウムナノ粒子

ーボン燃焼開始温度に大きな相違は見られず，Pr 固溶による触分散ゼオライトのカーボン酸化触媒活性の発現を確認し媒活性の向上は確認できなかった。酸化セリウムの触媒反応は，た。

－ 28 －

栃木県産業技術センター（5）炭酸ナトリウムを用いたアルカリ溶融により，表面を覆う

研究報告

No.13（2016）

参考文献

非晶質層を溶解して酸化セリウムナノ粒子を露出させ，約1) 石原達己："セラミックス"，51 No.1, 20-23, (2016)

400℃までカーボン燃焼開始温度を低下させることができ

2) J.D.Sherman : Molecular Sieves- Ⅱ , Am.Chem.Soc.,

た。

30-42,(1977)（6）本試料では，Pr 固溶による酸化セリウムのカーボン燃焼触3) 加藤栄，松本泰治，松本健一，川島健，岡村達也，中茎貴仁，媒活性の向上は確認できなかった。

後藤義昭："セラミックス協会2012 年年会講演予稿集"，
113，

本研究で開発した Pr 固溶酸化セリウムナノ粒子合成技術は，種々の元素に対しても応用可能であり，容易に酸化物固溶酸化(2012)
4) 加藤栄，松本泰治，松本健一，川島健，岡村達也，中茎貴仁：セリウムナノ粒子を合成できる技術である。触媒特性だけでなく，酸化セリウムの有する多様な特性の向上において，寄与で未発表5) 加藤栄，金田健，鶴永賢，岡村達也，小林範浩，松本泰治："栃木県産業技術センター研究報告 No.12"，24-28，(2015)

きる技術であることが期待できる。

－ 29 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

省貴金属対応・小型・軽量・高性能
自動車排気ガス浄化装置の技術開発
研究開発期間平成 26 年度〜平成 27 年度

分

精密加工

野

触媒性
るにはセ
向になる
且つ入口
ある。そ
を触れや
従来型よ

川下の抱える課題及びニーズ◦川下分野横断的な共通の事項
高機能化・精密化・軽量化 / 新たな機能の実現 / 品質の安定性・安全性の向上 / 環境配慮 / 生産性・効率化の向上、低コスト化

高度化目標
品質の安定性・安全性の向上 / 環境配慮の取組 / 生産性・効率化の向上、低コスト化

研究開発の背景及び経緯

図1

グラフ1

ベトナムバイク写真

地球環境の悪化が深刻化している中、自動車の内燃機関
は当面環境対応しつつ存在し続けると考えられる。
環境対応を飛躍的に向上させているのは、排出ガスを浄化する触媒技術である。排出ガス用の触媒とは、排気ガス中の有毒ガスを触媒により無害な物質に化学変化させるもので、触媒物質としては、白金、パラジウム、ロジウムの三種類の貴金属が使用されている。これら貴金属の用途別
割合では、白金の55%、パラジウム54%、ロジウムの86%が自動車排気ガス触媒に使われている。
自動車の普及は増加の傾向であり、二輪車の生産は中国、インド、アジア、アフリカは二桁オーダーで生産が増加し、
そのほとんどで排気浄化システムが採用されていない実態があり、環境悪化の原因になっている。
不採用の要因は技術面より価格面が大きく、安くて高性
能な浄化装置の出現が待たれている。

アジア5か国台数推移

従来の排気ガス浄化システムコストは、使用する触媒貴金属の材料費が80%に達している。コスト削減は貴金属の使用量を削減するしかない。その為に触媒内の排ガス流を変化させ、排ガス浄化効率向上を図り、使用貴金属量を削減するものである。
排ガスの流れを変える方法として、担体外筒にステンレ
スのメッシュを螺旋形状に成型し、メッシュの固定とガスの分散を狙ったセパレーターとの組み合わせ構造を採用した。さらに触媒を担体に担持させる従来のウォッシュコー
ト法に加え、メッシュとセパレーターに直接触媒金属をめっきする試みも行っている。
すなわち本研究は、排ガスの流れを変化させ浄化効率をあげて小型化を図り使用貴金属を少なくする事と、担体への貴金属めっきを確立し、より少ない量を無駄なく担持する事によりコストを削減するものである。

研究開発の概要及び成果

更に触
する方法
メリット

事業
図2

86

本研究開発の概要

関東経済産業局 戦略的基盤技術高度化支援事業
研究開発成果事例集（平成25年度～平成26年度採択事業）から抜粋－ 30 －

◎所
◎担
◎T
◎プ

◎プ
◎主

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

26年度採択補助事業

触媒性能は担持貴金属量に左右されるので、性能を上げるにはセルを極力小さくし数を増やし、触媒面積を稼ぐ方向になる。従来構造では、排ガスはセル間の移動ができず、且つ入口から出口まで排ガスが触媒金属と触れない部分もある。そこで本開発では排気ガスの流れを変え、触媒金属を触れやすくする構造を採用した。結果、触媒浄化効率が従来型より優れる事が実証できた。

開発された製品・技術のスペック
使用貴金属量1/3で従来品と同等浄化性能のキャタライ
ザーの開発ができた。
拠ってコストの約80%を占める貴金属量を1/3に低減することで全体コスト目標1/2達成の目途がついた。
精密加工

る触媒貴
貴金属の
ガス流を
属量を削

ステンレ
定とガス
を採用し
シュコー
媒金属を

図4

グラフ2

従来品との比較写真

性能比較-1

化効率を
、担体へ
く担持す

図3

メッシュ構造更に触媒金属の担持について、担体に触媒金属をめっきする方法についても開発を進めている。めっき担持の最大メリットは、使用貴金属量を微調整できる事である。

グラフ3

性能比較-2

この研究へのお問い合わせ
事業管理機関名 一般財団法人地域産学官連携ものづくり研究機構◎所在地：〒 373-0057 群馬県太田市本町 29-1
◎担当者：佐藤 純一◎ TEL：0276-50-2100 ◎ FAX：0276-50-2110 ◎ E-mail：j-sato@mro.or.jp◎プロジェクト参画研究機関（大学、公設試等）：国立大学法人群馬大学、学校法人上智学院、群馬県立群馬産業技術センター、
栃木県産業技術センター◎プロジェクト参画研究機関（企業）：株式会社深井製作所、株式会社エコラ・テック◎主たる研究実施場所：株式会社深井製作所
関東経済産業局 戦略的基盤技術高度化支援事業

研究開発成果事例集（平成25年度～平成26年度採択事業）から抜粋－ 31 －

87栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

共同研究

ショウガ搾汁残渣の有効利用
伊藤 和子*

福嶋

瞬*

大輔**

亀山

藤生

惠子***

Effective Utilization of Residue of Squeezed Ginger
Kazuko ITOH, Shun FUKUSHIMA, Daisuke KAMEYAMA and Keiko FUJIU
生姜漬物加工時に生じる規格外品は，ほぼ 50%が水分であるため，搾汁後廃棄されている。しかし，この搾汁残渣には，ショウガ特有の香気成分や辛味成分が残存していることが考えられることから，その有効活用が望まれている。ショウガ搾汁残渣と，昨年度の結果で香気及び辛味ともに優れていた常圧乾燥品を使用してそれぞれ生姜ジャム４種類と生姜茶１種類を試作し，官能評価と成分分析を行った。生姜ジャムは開発品１が好まれており，生姜茶は従来品程度の辛味が好まれることがわかった。さらに，生姜ジャ
ムと生姜茶の販売促進を目指し，開発品を活用する３種類のレシピ開発も行った。
Key Words : 生姜搾汁残渣，香気成分，辛味成分，官能評価

１

はじめに

いて篩別し，9～30 メッシュ画分と 30 メッシュ通過画

ショウガは，特徴的な香りと刺激性を有し，世界中分とに分けた。搾汁したものをジャムに，乾燥後の 9で使用される香辛料・香辛野菜である。ショウガには，～30 メッシュ画分をお茶に使用した。

血行を良くして身体を温める効能があることが知られ

２．２

官能評価

ており，日本では寿司の薬味や料理の下味の食材としVAS（Visual Analog Scale）法（視覚的評価スケーて用いられている。また，海外では医薬品の一種としル）により，生姜茶ではおいしさ・甘み・辛味・渋みても用いられている。

・香り外観の６項目，生姜ジャムでは食感を追加した(株)シオダ食品において，生姜漬物の加工工程で生７項目について，10cm のスケール上であてはまる位置

じる規格外品は，約 50%の水分を除くために搾汁したに印をつける方法で官能評価を行い，スケールの左端

後，利用されずに大量に廃棄されているのが現状であから印までの長さを測定して評価値とした。スケールる。その有効活用のため，昨年度は乾燥方法の違いには左端が弱いまたは悪いとし，右端が強いまたは良いよる香気成分・辛味成分の比較を行い，常圧乾燥法がとした。産業技術センター（以下産技セ）では男性５1)。今年度は，搾汁残渣そ

名，女性９名の計１４名で行い，宇都宮文星短期大学のものと乾燥品を用いて製品を試作し，官能評価によ(以下文星短大)では，生姜茶については男性８名，女り消費者の嗜好を調査するとともに，その香気成分と性５３名の計６１名，生姜ジャムは男性６名，女性５

辛味成分を評価した。

４名の計６０名で評価を行った。

最適であることがわかった

さらに，製品の販売促進を目標にレシピを考案した

２．３

ので報告する。

香気成分分析

香気成分は，head space sorptive extraction(HSSE)
法により行った。HSSE 法による抽出は，EG-Silicone
２

２．１

研究の方法

Twister（Gerstel 社製）を用い，生姜茶は 10g，生姜

原料

ジャムは 7g に内部標準としてイソプロパノールを添シ ョ ウ ガ 搾 汁 残 渣 は(株 )シ オ ダ 食 品 の 生姜加 工工 程

加し，40℃2 時間吸着させた。その後，加熱脱着装置から生じる規格外品を搾汁したものを用いた。その搾（Gerstel 社製）つきガスクロマトグラフ質量分析計

汁残渣を(株)シオダ食品の通風乾燥機を用い，80℃20(GC/MS)（GC6890N,MS5973: Agilent Technologies 社

時間常圧乾燥し後粉砕し，9,30 メッシュのふるいを用製）を用いて測定を行った。
加 熱 脱 着 装 置 の 温 度 条 件 は ， TDS:20℃ (1min)-60℃*

栃木県産業技術センター

食品技術部

**

株式会社シオダ食品/min 昇温-210℃(4min)とし，CIS:-150℃(0.01min)-12*** 宇都宮文星短期大学℃/sec 昇温-210℃(5min)とした。GC/MS 条件は，カラ－ 32 －

栃木県産業技術センター

ム ： Inertcap

pure

研究報告

No.13（2016）

WAX(30m,0.25mm,0.25 μ m:GL

Tukey-Kramer の HSD 検定で行い，異なる記号間は 5%

Sciences 製)，オーブン温度：40℃(3min)-5℃/min 昇

水準で有意差があるものとして図示した（有意差がな

温-150℃-10℃/min 昇温-250℃(5min)，キャリアガス

い場合は記号なし）。

：ヘリウム 1ml/min，トランスファーライン温度：250℃，イオン源温度：230℃，イオン化モード：EI，イオ
ン化電圧：70eV で測定を行った。
分 析 成 分 は ， 生 姜 茶 で は Eucalyptol， Linalool，
Neral，Geranial，Geranyl acetate 及び Geraniol を
対 象 成 分 と し た 。 生 姜 ジ ャ ム で は ， α -Pinene ，Camphene ， β -Pinene ， β -Myrcene ， Limonene ，
Eucalyptol，Linalool，Neral，Terpineol，Citral，
Geraniol を対象成分とした。
２．４

図１

生姜茶の官能評価結果（産技セ）

図２

生姜茶の官能評価結果（文星短大）

図３

生姜ジャムの官能評価結果（産技セ）

図４

生姜ジャムの官能評価結果（文星短大）

辛味成分分析

辛味成分は，6-Gingerol，Shogaol，Zingerone について飯島らの方法 2) に準じ定量を行った。
すなわち，生姜ジャム 5g にメタノール 10ml を加え，氷冷しながらポリトロンで抽出した。さらに，氷冷しながら超音波装置にて 20min 抽出した。超高速遠心機
で 12,000rpm 10min 遠心し，上清を採取した。沈殿物にメタノール 6ml を加え，超音波装置による抽出以降の操作を繰り返して上清を採取して合わせ，25ml に定容した。
生姜茶は，サンプルをメタノールで希釈して測定した。
HPLC 条件は，装置：Prominence（島津製作所製），
検出器：フォトダイオードアレイ検出器，検出波長：280nm，カラム：Develosil ODS（4.6×150mm:野村化学製），カラム温度：35℃，溶離液Ａ：超純水（0.1%ギ酸含有），溶離液Ｂ：アセトニトリル（0.1%ギ酸含有），
グラジエント条件：Ａ70%→10%(20min),10%(10min)10%→70%,70%(10min)，流速：1ml/min とした。
３
３．１

結果及び考察試作品の作製ショウガ搾汁残渣の活用を目指し，生姜茶と生姜ジ
ャムの試作品を作製した。
生姜茶は，ショウガ搾汁残渣乾燥品 2g につき紅茶
1g の割合で混和し試作した。
生姜ジャムは，ショウガ搾汁残渣を用いて４種類試作した。開発品１はスライス状の残渣をそのまま使用
し，開発品３はその濃度を２分の１にした。開発品２
はおろし状の残渣をそのまま使用し，開発品４はその濃度を２分の１にした。
３．２

官能評価結果産技セにて実施した官能評価結果を，図１と図３に，生姜茶の開発品は，辛味が強いという評価であった。

文星短大にて実施した官能評価結果を，図２と図４に

おいしさの評価から推察すると，従来品程度が最適な示す。なお，有意差検定はすべて統計ソフト JMP の辛味と考えられた。香りに関する評価は，産技セでは－ 33 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

従来品と開発品が高く，文星短大では他社製品が高くなり，評価が分かれた。生姜ジャムは，両者ともに開発品１の評価が最も高かった。産技セではおいしさ・
渋み・香りの点で，開発品１と他社製品に有意差が認められた。文星短大では，おいしさ・香り・外観・食感の点で，開発品１と他社製品に有意差が認められた。
３．３

香気分析結果香気成分と香気の特徴を表１に示す。
生姜茶の従来品・開発品・他社製品の分析結果を図５に示す。開発品は，従来品及び他社製品と比較して，
図６

たいへん香りが高いことがわかった。
表１

香気成分と香気の特徴

香気成分名

３．４

生姜ジャムの香気成分分析結果

辛味分析結果生姜茶の従来品・開発品・他社製品の分析結果を図

香気の特徴

α-Pinene

針葉樹の香り７に示す。開発品の 6-Gingerol は，従来品の約 2 倍・Camphene

ﾛｰｽﾞﾏﾘｰの芳香

他社製品の約 7 倍であり，Syogaol は，従来品の約 2

β-Pinene

針葉樹の香り倍・他社製品の約 12 倍であり，たいへん辛味が強いこ

β-Myrcene

芳香とがわかった。官能評価結果から，おいしいと感じる

Limonene

柑橘系の芳香辛さは従来品程度と考えられた。

Eucalyptol

清涼感のある香り

Linalool

スズラン様芳香

Neral

甘いレモンの香り

Terpineol

ライラックの香り

Geranial

強いレモン臭GeranylacetateGeraniol

ラベンダーの香り
バラ様の甘い香り図７

生姜茶の辛味成分分析結果

生姜ジャムの分析結果を図８に示す。6-Gingerol
は，開発品１と２は他社製品の約 2 倍の濃度であり，開発品３と４は同等程度であった。Shogaol について
は，他社製品と比較すると，開発品１は約 2 倍，開発
品２は約 1.4 倍，開発品３は約 0.8 倍，開発品４は約0.5 倍であった。
図５

開発品１は他社製品と比較して辛味がたいへん強い

生姜茶の香気成分分析結果

が，官能評価ではおいしいと感じており，生姜の特徴
生姜ジャムの香気成分分析結果を図６に示す。分析を活かした製品であることがわかった。

値では，開発品２の測定値が高い傾向にあった。開発
品２はおろし状であるため，ヘッドスペース中に香気が広がりやすいのではないかと考えられた。一方，開発品１はスライス状であるため，食べた時に口の中で香りが広がるのではないかと考えられた。

－ 34 －

栃木県産業技術センター

図 10
３．５．３

ティーライス

大さじ２，酢

さじ 1/6，オリーブオイル

生姜ジャムの辛味成分分析結果

No.13（2016）

マリネ液

材料：生姜ジャム
図８

研究報告

大さじ４，塩小大さじ１

作り方：マリネ液の材料をすべて混ぜる。切り方・
３．５

漬け込み容器によっても異なるが，200g くらいの野菜

レシピ開発

が漬け込める。３日から１週間ほどの保存を目安とす

開発品の販売促進を目的に，さまざまな料理に活用

る（マリネ液の再利用は不可）

するためのレシピ開発を行った。
３．５．１

材料：生姜ジャム
豚肉

特徴：生姜の香りとほどよい辛味，甘みが同時に付

ポークジンジャー（漬け込みたれ）

200g，油大さじ１～２，醤油

大さじ２，加できる（図 11）。

小さじ２（ジャム：醤油＝1:2～1:1）

作り方：生姜ジャムと醤油をよく混ぜ合わせる。軽
くもみながら 10 分ほど豚肉を漬け込んで焼く。
特徴：焼いても豚肉が固くならず，甘みと塩味のバ
ランスが良い（図９）。

図 11

生姜ジャムを使ったマリネ
４

おわりに

ショウガ搾汁残渣を用い，生姜茶・生姜ジャムを試
図９

ポークジンジャー（漬け込みたれ）

作開発し，その官能評価を行った。また，それぞれの香気成分及び辛味成分を評価し，生姜の特徴を活かし

３．５．２
材料：米

ティーライス１カップ，生姜茶抽出液た製品であることがわかった。さらに，開発品を活用
1.2 カップ，

したレシピも考案した。

好みで塩一つまみ
作り方：生姜茶を抽出し冷ます。米を研ぎ，冷まし

参考文献

た生姜茶で水加減をする。好みで塩一つまみ入れ，ざ1) 伊藤和子ほか："栃木県産業技術センター研究報告No.12"，36-38,(2015)

っくりと混ぜたらすぐに炊飯する。
特徴：生姜茶のほんのりとした色合い，さわやかな

2) "食品機能性の科学"，(株)産業技術サービスセンタ
ー，1086-1089，（2008）

香りが楽しめる（図 10）。

－ 35 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

共同研究

大麦のダイレクトＧｅｌ転換による高付加価値加工技術の開発
福嶋 瞬*

渡邊 恒夫*

杉山 純一**

蔦 瑞樹**Development of High Value-added Processing Technology with Direct Gel Conversion of
Two-rowed Barley
Shun FUKUSHIMA, Tsuneo WATANABE, Junichi SUGIYAMA and Mizuki TSUTA
大麦粉はグルテンを含まず粘りが出にくいことから，小麦粉に比べて製パン時に生地が膨らみにくい，
製麺時に生地が繋がりにくい，といった加工適性に課題があった。当センターではこれまで澱粉の非晶化（α化）を進行させる大麦の製粉方法や二軸エクストルーダーによる加熱，せん断方法を検討し，大麦粉の加工適性の改善を試みてきたが，非晶化の進行が不十分であった。そこで，国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構 食品総合研究所にて開発されたダイレクトＧｅｌ転換技術を大麦に適用し，ゲル化条件とゲルの動的粘弾性を評価した。その結果，加水比を調節することで幅広い物性の大麦ゲルが調製でき，製パンに最適な米ゲルに近い物性の大麦ゲル，米ゲル配合大麦ゲルが調製可能であることが明らかとなった。
Key words: 大麦，ゲル, 糊化，ダイレクトＧｅｌ転換, 動的粘弾性

１ はじめにパンや麺等様々な食品に加工可能な新たな米のゲル素材（米ゲ

内臓脂肪型肥満に高血糖，高血圧等が合併したメタボリック

ル）を調製するダイレクト Gel 転換技術 3)を大麦に応用し，大麦

シンドロームの該当者は，厚生労働省「平成 19 年国民・栄養調

ゲルの調製条件によるゲルの物性への影響を動的粘弾性測定に査」によると，40～74 歳において約 1,070 万人，予備群者数はより把握し，加工適性の高い新たな大麦ゲル素材を開発するこ

約 940 万人，併せて約 2,010 万人と推定されており，平成 16 年とを目的とした。

からの推計でも増加傾向がみられる。

また，米ゲルは様々な食品への加工が可能であることが明ら

二条大麦は，水溶性及び不溶性食物繊維をバランスよく含んかとなっているため 4),5)，米ゲルを配合した大麦ゲルは，大麦のでいる。これらには，血糖値やコレステロールを下げる働きがみのゲルより応用範囲が広がる可能性があり，加工製品によっあり，メタボリックシンドローム抑止に有効と考えられる。平ては米ゲル配合大麦ゲルの利用が適する場合も考えられる。し成 18 年 5 月には米国にて大麦のヘルスクレーム（健康強調表示)たがって，米ゲルを一部配合した大麦ゲルについても調製し，が認められ，大麦の食用化がますます進むと考えられる。

動的粘弾性を評価した。

しかし，大麦粉は小麦粉とは異なりグルテンが含まれないた
２ 研究の方法

め生地に粘りが出ないといった加工適性に課題があり，食品加
２．１ 原料大麦

工・利用への障害となっている。
1),2)

で非晶化（α 化）を進行さ（株）大麦工房ロアより，二条大麦品種サチホゴールデンのせ，加工適性を改善させた大麦粉の調製法の開発を目的とし，精麦歩合 85%大麦粒（以下，85 サチホ）を，栃木県農業試験場

米の非晶化粉砕法や二軸エクストルーダーによる加熱，せん断

よりポリフェノール含量が低く，加熱後の褐変が起こりにくい処理を大麦に応用してきたが，加工適性の改善には非晶化の進

二条大麦品種とちのいぶきの精麦歩合 80%大麦粒（以下，80 と行が不十分であることが推察される結果であった。そこで，本ちのいぶき），55%大麦粒（以下，55 とちのいぶき）を提供して研究では国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構

頂き，3 種類の大麦粒を試料として用いた。

食品総合研究所にて開発された高アミロース米を炊飯にて糊化

２．２ 原料大麦のアミロース含量測定

当センターではこれまでの研究

Julianoの方法 6)を用いて各原料大麦粒のアミロース含量を分させた後，カッターミキサーによる高速せん断をかけることで，*析した。定量は標準アミロース（シグマ アルドリッチ；アミ

栃木県産業技術センター 食品技術部** 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構 食品

ロースジャガイモ由来）による絶対検量線法で行った。

総合研究所－ 36 －

栃木県産業技術センター

２．３ 大麦ゲル調製方法

研究報告

No.13（2016）

３ 結果及び考察

各加水比のゲルについては，大麦粒に表１のように全量が３．１ 原料大麦のアミロース含量測定900g となるように水を添加し，16 時間浸漬させた後，炊飯器（象各原料大麦粒について，アミロース含量を測定した結果を表印マホービン（株）, NP-NA10）にて玄米モードで大麦を炊飯し２に示す。全ての原料大麦粒は，米ゲルに用いられる高アミロ

た。炊飯大麦を，カッターミキサー（（株）エフ・エム・アイ, Robot

ース米品種「ミズホチカラ」のアミロース含量約 24%と同等であ

Coupe Blixer-5Plus）を用いてせん断速度 1,500rpm，もしくはることが明らかとなった。

3,000rpm で一定時間せん断した後，4℃で 4 時間半保存し，大麦

表２ 原料大麦粒のアミロース含量

ゲルを調製した。

85 サチホ

表１ 炊飯時の大麦粒，水の量

澱粉中のアミロ

2 倍加水

3 倍加水

4 倍加水

大麦粒(g)

300

225

180

水(g)

600

675

720

ース含量(%)

26.3

80 とちのい55 とちのい

ぶき

ぶき

24.2

24.7

３．２ 加水比による大麦ゲル物性への影響評価
各大麦粒を 2 倍，3 倍，4 倍加水条件にて炊飯し，カッターミ
キサーで回転数 3,000rpm，3 分間せん断し，各加水比で調製し２．４ 米ゲル配合大麦ゲルの調製方法
55 とちのいぶき 157.5g に対して水 472.5g を加水し，玄米モた大麦ゲルの動的粘弾性を評価した結果を図１に示す。

ードで炊飯した加水比 3 倍の炊飯大麦粒 630g と，ミズホチカラ

各加水比では原料大麦粒による大きな違いは見られなかった（高アミロース米）90g に対して水 180g を加水し，お粥モード

が，全ての原料大麦粒で加水比を増加させることで G’，G’’

で炊飯した加水比 2 倍の炊飯米 270g をカッターミキサー容器にが減少し，ゲルが柔らかくなることが明らかとなった。さらに，入れ，せん断速度 3,000rpm で 3 分間せん断した後，4℃で 4 時

加水比を調節することで動的粘弾性値が大きく変化することか間半保存し，30%米ゲル配合大麦ゲルを調製した。

ら，加水比を変えることで幅広い物性のゲルが調製可能である

また，55 とちのいぶき 122.5g に対して水 337.5g を加水し，ことが明らかとなった。また，製パンに最適な物性を有する米

玄米モードで炊飯した加水比 3 倍の炊飯大麦粒 450g と，ミズホ

ゲル（原料米：ミズホチカラ，2 倍加水）と，3.0 倍加水大麦ゲ

チカラ（高アミロース米）150g に対して水 300g を加水し，お粥ルの動的粘弾性が近い値であることから，3.0 倍加水大麦ゲルはモードで炊飯した加水比 2 倍の炊飯米 450g を 30%米ゲル配合大製パンに適した物性を有することが推察された。

麦ゲルと同様の方法にて調製し，50%米ゲル配合大麦ゲルを調製した。
２．５ ゲルの動的粘弾性評価
動的粘弾性測定装置（（株）東洋精機製作所, Rheolograph-SOL）を用いて評価した。振動条件は周波数 1.OHz，振動±100μm の正弦波により，貯蔵弾性率 G’，損失弾性率 G”を求めた。測定
試料は高さ 1.6cm，直径 1.6cm の円柱状に成型した。
動的粘弾性測定は，特定周波数の正弦波により試料に歪振幅
図１ 各加水比大麦ゲルの動的粘弾性が一定となるよう，応力が与えられる。その応力と試料の歪みから，試料の弾性（固体的な性質），粘性（液体的な性質）を分析する測定方法である。貯蔵弾性率が弾性特性，損失弾性率が３．３ 大麦ゲルの色の評価
図１にて動的粘弾性を評価した大麦ゲルの色調を評価した結*粘性特性の大きさを示す値であり，複素弾性率(G =G’+iG’’)

果を表３に示す。

の値が大きい物質ほど，硬い物質であることを示す。

各加水比について原料大麦による影響を評価すると，全ての２．６ 大麦ゲルの色調評価
分光測色計（コニカミノルタ（株）, CM-2600d）を用いて評価した。

加水比条件で色度 a*，b*の値に大きな違いは無かったが，明度L*の値については，85 サチホに比べて 55 とちのいぶき，80 とちのいぶきのゲルは高い値を示した。この結果から，加熱後の褐変が起こりにくいとちのいぶきでは，大麦ゲルに調製した場
合も褐変が抑えられ，明度の高いゲルが調製可能であることが明らかとなった。

－ 37 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

表３ 色差計による大麦ゲルの色の評価
加水比

2.0

3.0

4.0

原料大麦

L*

a*

b*

85 サチホ

58.7

2.73

13.0

80 とちのいぶき

69.4

1.63

15.4

55 とちのいぶき

74.3

0.927

13.0

85 サチホ

60.7

2.56

13.4

80 とちのいぶき

73.0

1.37

14.2

55 とちのいぶき

76.6

0.960

12.3

85 サチホ

62.8

2.12

12.7

４ おわりに80 とちのいぶき

72.6

0.970

14.0

ダイレクト Gel 転換技術を 3 種類の大麦粒に用いて，大麦ゲ

55 とちのいぶき

75.2

0.600

11.9

図３ 米ゲル配合大麦ゲルの動的粘弾性

ル調製時の加水比，せん断時間，せん断速度によるゲルの物性への影響を，動的粘弾性測定にて評価した。その結果，加水比３．４ せん断時間，せん断速度による大麦ゲル物性への影響を増やす，せん断時間を長くことで，調製される大麦ゲルは柔らかくなることが明らかとなった。せん断速度については，

評価
3 倍加水条件で炊飯した 85 サチホ，55 とちのいぶきをせん断
速度1,500rpm，および3,000rpm のカッターミキサーにて3 分間，
5 分間せん断し，調製した大麦ゲルの動的粘弾性を評価した結果

1,500rpm で調製した大麦ゲルは完全にはゲル化が進行しなかったことから，大麦ゲルの調製にはせん断速度 3,000rpm が適していることを明らかとした。また，加水比を 2 倍から 4 倍の範囲で変化させることで，調整される大麦ゲルの動的粘弾性値が大を図２に示す。
せん断時間については，原料大麦粒にせん断時間を長くすることで G’，G’’が減少し，ゲルが柔らかくなることが明らかとなった。せん断速度については，1,500rpm で調製したゲルはきく変化し，幅広い物性の大麦ゲルを調製することが可能で，加水比 3 倍の大麦ゲルは製パンに適したミズホチカラ 2 倍加水ゲルに近い物性を有することが明らかとなった。
原料大麦粒によるゲルの物性の大きな違いは見られなかった

せん断を 5 分間かけても粒が残り，完全にはゲル化が進行していなかった。一方で，せん断速度 3,000rpm で調製したゲルは完
全にゲル化が進行したため，大麦ゲルの調製にはせん断速度

が，とちのいぶきを用いることで加熱による褐変が抑制され，サチホゴールデンのゲルより明度の高いゲルが調製されることが分かった。

3,000rpm が適していることが明らかとなった。

米ゲル配合大麦ゲルについては，米ゲルの配合割合による動(a)的粘弾性の違いは見られず，製パンに適したミズホチカラ 2 倍
加水ゲルに近い物性を有することが明らかとなった。したがって，どちらのゲルも製パンに適した物性を有することが推察さ
れた。
参考文献

(b)

1) 筒井達也, 渡邊恒夫, 上武裕, 野中英夫： "栃木県産業技術センター研究報告 No.11"，41-43,（2014）2) 渡邊恒夫, 福嶋 瞬, 上武 裕："栃木県産業技術センター
研究報告 No.12", 33-35, (2015)3) 柴田真理朗, 杉山純一, 藤田かおり, 蔦 瑞樹, 吉村正俊,
粉川美踏, 荒木徹也： "日本食品科学工学会誌"，59(5),

図２ 各せん断速度，時間条件大麦ゲルの動的粘弾性220-224,（2012）

原料大麦 (a)85 サチホ，(b)55 とちのいぶき4) 柴田真理朗, 杉山純一, 藤田かおり, 平野由香里, 蔦 瑞

３．５ 米ゲル配合大麦ゲルの物性評価

樹, 粉川美踏, 吉村正俊,荒木徹也： "日本食品科学工学会

30%，50%米ゲル配合大麦ゲルの動的粘弾性を評価した結果を誌", 62(4), 212-218,（2015）

図３に示す。30%，50%米ゲル配合大麦ゲルの動的粘弾性値には，大きな違いは見られなかった。また，どちらのゲルもミズホチ

5) 松山信悟，柴田真理朗, 杉山純一, 藤田かおり, 蔦 瑞樹,
吉村正俊,粉川美踏, 平野由香里,荒木徹也，鍋谷浩志： "日

カラの 2 倍加水ゲルに近い動的粘弾値を示したことから，製パ

本食品科学工学会誌", 61(3), 127-133,（2014）

ンに適した物性を有することが推察された。

6) Juliano.B.O.： "Cereal Science Today", 16, 334-340,（1971）－ 38 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

共同研究

トーションレースのインテリアへの応用
堀江

昭次 *

荒山

薫*

二渡

友四郎 **

Studies Using Torchon Lace to Interior Material
Shouji HORIE, Kaoru ARAYAMA and Tomoshirou FUTAWATARI
本研究では，トーションレースが主な構成要素となるインテリア製品の開発を目的として，カーテン ・ ス ク リ ー ン ， ラン プ シ ェ ー ド ， カ ー ペッ ト （ 敷 物 ），椅 子と いっ た４種 類に つい て，そ れぞ れのインテリアに適した素材の選定とレース組織の設計を行い，製品開発を行った。その結果，カーテンとしてたて型ブラインド用レースをポリエステルと柄組織で，ランプシェード用レースを綿と柄組織で，カーペット用レースを先染絹糸及び３軸組織で，椅子用レースをＰＰの糸とフレンチグラウンド
組織で編成を行い，評価試験を行った。また，編成したレースを主な構成要素とする４種類のインテリアを製作することができた。
Key Words : トーションレース，インテリア

１

ス組織の設計及びレース編成を行い，後加工として染はじめにトーションレースは足利市の地場産業であり，日本
1)

国内のトップシェアを誇っている 。トーションレース

色後にランプシェードの製作を行った。
２．３

カーペットの製作の主な用途としては，服飾付属レースであるが，近年

カーペットとしての素材の選定を行い，トーション

は中国をはじめとする海外製品の攻勢により苦戦してレースとしての色糸使いの特徴を生かせるデザインのおり，新たな用途開発が求められている。そこで本研設計を行った。編成後の評価試験（重量試験）を行い，究では，トーションレースの持つ独特の意匠性を生か

カーペットとして縫製し，製作した。

した上でトーションレースが主な構成要素となるよう

２．４

椅子の製作

なインテリア製品としてカーテン，ランプシェード，

椅子素材として，強度面を考慮して素材の選定を行

カーペット，椅子といった４種類の製品開発を目指し

い，外観の良さや通気性を得ることのできるレースをて研究を行った。

設計した。また，レース編成後に強度面の評価試験を行った。その上で，レースを使った椅子貼りを行い，
２

研究の方法

椅子を製作した。

トーションレースが主構成要素となる４種のインテ
３

リア製品開発のために，次の方法で研究を行った。
２．１

結果及び考察４種類のインテリアについて，それぞれの素材選定，カーテンの製作

カーテンとして，トーションレースの特徴を最も生レース設計，レース編成，評価試験，インテリア製作

かせることを考慮して，たて型ブラインド（バーチカについての結果及び課題を考察する。

ルブラインド）の製作を行うこととした。その上で，

３．１

カーテン

素材の選定，カーテンとしての機能を満たすようなレトーションレースは，細巾に編成される。その特徴

ースの設計・編成及び後加工としての防煙加工を行い，を生かすことのできるカーテンの種類として，たて型レースの評価試験を行った。その後，たて型ブライン

ブラインドを選定した。

ドの製作を行った。

３．１．１

２．２

素材（糸種）の選定

カーテンに使用される素材としては，ポリエステル，

ランプシェードの製作

ランプシェードの製作について，素材の選定，レー

アクリル，レーヨン，綿の４種類が使われている 2)。そ*栃木県産業技術センター 繊維技術支援センターの中から，たて型ブラインドの特性を考慮して，耐摩**二渡レース株式会社

耗性，防カビ性，抗菌性，耐候性に優れたポリエステ－ 39 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

ルとし 2)，先染（アイボリー）＃８ポリエステルスパン

似合わせて編成を行い，やはり規格に合わせた150㎝の糸を選択した。

長さに揃えて切断し，両端を接続部品の取付用に縫製

３．１．２

加 工 を 行 っ た （ 写 真 ２ ）。

レース組織の作成・編成

カーテンに要求される機能として，調光，通風，遮製作したたて型ブライン

ドを写真３に示す。

2)

蔽・遮光，断熱，防音，装飾が上げられる 。これらの機能をある程度満たすために，密閉性の高いレース組
織が求められる。そこで，トーションレースの柄組織をベースとして，装飾性としての柄を施したレース組織を設計した。その組織により編成したレースを写真１に示す。また，表１に編成条件を示す。

a)上端

b)下端

写真２

写真１

両端縫製加工ブラインド用レース
表１

編成条件

トーションレース機：96/45
糸張力：バイアス糸100ga)閉じた状態

写真３

芯糸200gb)開いた状態

たて型ブラインド

巻取速度：0.2㎜/rev
部屋が暗くなりすぎず，ある程度の遮断効果を得ら

糸：ポリエステルスパン糸8番手 2本引揃れるたて型ブラインドとなった。課題としては，レー３．１．３

スの直線性を増すこととコスト面が上げられる。直線

レース評価試験

カーテンに求められる機能として，遮光及び遮熱に性に関しては編成条件の検討，コスト面に関しては１

対する評価試験及び重量試験を行った。その試験方法

回の編成で２本のレースを編成する等の編成方法の工及び試験結果を表２に示す。この結果，ある程度の機夫が上げられ，今後の検討課題である。

能を持っていることがわかった。また，カーテンには

３．２

表２

遮光及び遮熱試験結果

トーションレースを使ったランプシェードの場合は，遮光試験：JIS L1055カーテンの遮光性試験方法
遮光率

ランプシェード

機能面よりも意匠性が求められる。その点を考慮して53.99%

ランプシェードの製作を行った。

遮熱試験：群馬県法

３．２．１

レース無 35℃

レース有

32.5℃

素材の選定

物性の面でランプシェードの使用時求められること

レース重量：JIS L1096

は無いので，編成面から扱いやすい綿を選択した。ま

703.9g/㎡

た，柄の描きやすさといった面からは細めの糸が良いので，綿糸3/30を選択した。

防煙性が必要となるので防煙加工を施した。表３に防３．２．２

炎剤及び防煙効果を示す。
表３

レース組織の設計

装飾用のランプシェードでは，点灯時に漏れる光が防煙加工条件

壁に映る形を楽しめることが求められる。そこで，基防炎剤：ニッカファインHFT-3

本的に光を通しにくい組織の中に孔を幾何学的に配置

試験方法：JIS L1091 A-1法

して，周りの壁面に光の柄が移る組織を設計した。設

燃焼面積

３．１．４

処理前

205c㎡

処理後

61c㎡

計した組織を写真４に示す。

たて型ブラインドの製作

編成後，防煙加工を施したレースを使ってたて型ブ
ラ イ ン ド を 製 作 し た 。 編 成 時 に 規 格 に 合 わ せ た 85㎜ 巾－ 40 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

る。そのことを考慮して製作を行った。
３．３．１

素材の選定

カーペット素材としては，大きく天然繊維（ウール，シルク）と合成繊維（ナイロン，アクリル，ポリプロピレン）に分けられる 2)。トーションレースの手作り感
及び高級感を出すためにシルクを使用することとした。
また，シルクは帯電性が低い等のカーペット素材として向いている面がある 3)。選定した糸は，絹糸＃５の先染糸である。
写真４

ランプシェード用レース

３．３．２

レース組織の作成・編成

カーペットでは，床面を隠すことが必要となるので，
３．２．３

レース編成・染色大小の孔で意匠性を表現することは向いていない。そ設計した組織にてレースの編成を行った。編成条件

こで，密閉性の高い柄組織を基本とし，糸の色づかい

及びレース重量を表４に示す。編成後，直接染料を使で高い意匠性を実現することのできるレース組織を設用して染色加工を行った。

計した。色糸使いを実現するために，柄組織の１リピ

３．２．４

ートに要するプログラム枚数を２倍にして，バイアス

ランプシェードの製作

木製の枠に編成したレースを所定の大きさに切断し方向に走る色糸がそのまま進んだり折り返したりできて，貼り付けを行い，ランプシェードを製作した。製る組織を設計した。その組織で編成したレースを写真

表４

編成条件及び重量６に示す。編成条件及びレース重量は表５のとおりでトーションレース機：96/45
糸張力：バイアス糸100gある。

芯糸200g

巻取速度：0.6㎜/rev
糸：綿糸3/30
レース重量：230.1g/㎡

写真６

カーペット用レース

表５

編成条件及び重量

トーションレース機：96/45
糸張力：バイアス糸100g

芯糸200g

巻取速度：0.2㎜/rev
糸：バイアス糸1 絹糸#5(牡丹)バイアス糸2 絹糸#5(一芹)
芯糸：綿糸3/30 2本引揃
レース重量：329.9g/㎡
３．３．３
写真５

ランプシェード

カーペットの作成

今回は，ディスプレイ用のカーペットであるので，
約１ｍ×１ｍの大きさのカーペットとすることとした。

作したランプシェードを写真５に示す。壁面に映る光

編成したレースをたて方向に１ｍの長さで７枚切断し，の形が良く表現されるものになったと思われる。

それらを縫製して１㎡の面積となるように縫製を行っ３．３

た。その後，同様のレースで縁取りを行いカーペット

カーペット

カーペットの場合は，床面を隠してしまう必要があるため，孔のあるレース組織は向いていないと思われとした。完成後の製品を写真７に示す。鮮やかな色彩のカーペットになったと考えている。

－ 41 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

３．４．３

椅子の製作

編成したレースを使って椅子を製作した。製作した椅子を写真９に示す。レース自体も高強度であるので，しっかりとした構造になり，意匠性もあるデザインであるのできれいな仕上がりとなった。

写真７
３．４

トーションレースカーペット椅子

椅子の場合，ソファの外貼りに使用するには，肌触り等の問題から向いていないと思われる。そこで，折りたたみ式で布１枚で座る面や背もたれ面を賄っている椅子を想定して製作を行うこととした。
３．４．１

素材の選定
写真９

人の体重が１枚の布にかかるので，それに耐えるこトーションレース椅子とのできる素材が必要となる。そこで，産業用資材と４して多く用いられ，安価で丈夫な素材としてポリプロ
4)

ピレン を選定して使用することとした。
３．４．２

おわりに

カーテン，ランプシェード，カーペット，椅子といレース組織の設計・編成

った４種類のインテリアをトーションレースが主な構

座る部分と背もたれ部分が布１枚で構成されるため，成要素となるように設計・製作を行った。トーション

方向性の少ない組織が必要となる。また，ポリプロピ

レースが持つ独特の糸使いや意匠性といった特徴を活

4)

レンは疎水性の素材 であるので，人体が蒸れることのかすことのできるものが製作できたと考えている。

無いように通気性の良い組織である必要がある。それ本研究では，インテリア製作よりもインテリアに使らのことを考慮して，３軸組織であり通気性も良いフ用できる素材としてのトーションレースを編成するこレンチグランド組織のレースを使用することとし，バとを大きな目的とした。実際に今回製作したインテリ

イ ア ス 糸 が 45° に な る よ う に １ リ ピ ー ト を ２ 倍 の 組 織アの一つでは，大手メーカーに対しトーションレース

に設計した。編成したレースを写真８に示す。編成のの使用の可能性について打診を行い，物性や単価等の条件及びレース重量及び強度を表６に示す。

一定の条件をクリアすれば使用の可能性があることを説明されている。今後，積極的にＰＲできる場を設けてトーションレースの用途拡大を実現したいと考えて
いる。
参考文献

写真８
表６

椅子用レース

1)

松島四郎："トーションレース工業Ⅱ"，（1982）

2)

成美堂出版："インテリアの基本BOOK"，(2013)3)

カケンテストセンターHP

4)

宮 本 武 明 ， 本 宮 達 也 ： "新 繊 維 材 料 入門 "， (1992)

編成条件 重量，強度

トーションレース機：96/45
糸張力：バイアス糸100g

芯糸200g

巻取速度：0.66㎜/rev
糸：ポリプロピレン#100
レース重量：165.2g/㎡
引張強さ及び伸び率：215.4N/㎝

12.8%－ 42 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

共同研究

新規な還元抜染法の開発
井田

恵司*

髙岩

徳寿*

田邊

雅敏**

Development of New Reduction Discharge Printing Method
Keiji IDA， Norihisa TAKAIWA and Masatoshi TANABE
二酸化チオ尿素を用いたウールの還元抜染法を開発した。酸性染料で地染めしたウール生地に，抜染剤を含む抜染糊をプリントした後，熱処理を行った。この手法で，プリント部分の地染め色を脱色し白色にする「白色抜染」及び抜染糊に地染め色とは別の色の染料を混合し，地染め染料を脱色すると同時に別色に着色する「着色抜染」を試みた。抜染剤として二酸化チオ尿素を用いた結果，４銘柄の酸性染料で地染めした生地に対して，白色抜染と７銘柄の染料を用いた着色抜染に成功し，劇物である塩化第一錫を用いない安全な抜染法として利用できることを明らかにした。
Key Words：白色抜染，着色抜染，二酸化チオ尿素，染色性

１ はじめにる。

近年における我が国繊維産業の出荷額は，1991 年の 12 兆 8533

このような背景の中，高度なプリント技術を武器にしている億円をピークに減少し，2013 年は 3 兆 7295 億円とピーク時の約業者は，より高度な色表現を達成するために，これまでの抜染

3 割に落ち込んでいる。

剤とは異なり，安全で，生地に対して低損傷な抜染剤を用いた

一方で，国産素材，国内加工の高級品の受注が前年比３倍に新規な抜染技術の開発が急務となっている。

伸びるなど，高級品のゾーンは大きなシェアではないが常に堅調であることが特徴である。

そこで本研究では，新規な抜染剤として，容易に入手できる
上に繊維や人体に対する安全性が高い薬剤の検討を行ったと共高級ブランド（ウールや絹製の婦人服・スカーフ，ネクタイに，当該試薬を用いたウール生地に対する抜染手法を確立する

等）は，デザイナーの感性をそのままに表現したような，ビビため，抜染処方の検討，抜染生地の評価等を行ったので報告す

ッドなカラー，大胆かつ繊細な色使いが求められる傾向が強く，る。

当該品を染色するためには高度な技術が必要とされている。このニーズに応えるだけの高い技術を持つことが，繊維産業，特に捺染（プリント）関連業界においては，生き残りの条件とし

２ 研究の方法
２．１ 試料等て必須になっている。

ウール生地は，ウールモスリンを使用した。

高度な技術を要するプリント技法として，濃色の地染め生地
上に淡色をプリントする際，色が混ざることを防止するため，抜染剤として二酸化チオ尿素，塩化第一錫，ハイドロサルフ
ァイトナトリウムを使用した。

淡色にプリントする部分に存在する地染め染料を脱色する「抜染」という技法が使われてきた1),2)。抜染は，シャープな柄表現が可能であると共に，顔料プリントのように風合いが堅くなら

糊剤は，ガム系糊剤（メイプロガムＮＰ），カルボキシメ
チルセルロース（ファインガムＨＥ-Ｓ，以下 CMC），アルギ
ン酸ナトリウム（スノーアルギンＭ）を使用した。

ないというメリットがあり古くから用いられてきた。しかし，その他，助剤として，尿素，染料溶解剤（グリエシンＡ），

地染め部分から滲みが出やすい，時間が経過すると脱色した色

酒石酸アンモニウムを使用した。また，地染めは，赤（Kayanolが復色するというデメリットがあり，品質の向上が強く求めらMilling Red RS 125(日本化薬㈱)：0.5％），青（Supranol

れるにつれ敬遠されるようになった技法である。さらに，ウーCyanine 6B(バイエルジャパン㈱):0.3%），黄（Kayanol Yellow

ルや絹の抜染に用いる塩化第一錫が生地の損傷や作業環境の悪

N5G(日本化薬㈱)：0.5％），黒（Kayanol Milling Black TLR(日化を引き起こすガスを発生させる等の問題が生じたことも追い

本化薬㈱)：5.2％）を用い，それぞれメーカー推奨の処方で染打ちとなり，抜染はますます用いられなくなっている状況であ色した 3)。

*

２．２ 抜染方法

栃木県産業技術センター 繊維技術支援センター

白色抜染は以下の手法で実施した。

** 朝日染色㈱－ 43 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）（２）式で 400nm～700nm の 20nm おきに各波長の K/S 値を計

抜染剤，糊剤，水等を配合し適切な粘度に調整した抜染糊を，試験用スクリーン捺染機（㈲シンワキカイ ＃ST-800E）を用い算し，その値を合計した Total K/S 値で染色性を評価した。

て，ウール生地に印捺した。（版は，1,000 メッシュを使用）

色なき試験は，業界で用いられる「大丸法」を実施した。

表１に代表的な白色抜染糊処方を示す。

大丸法は，室温で 0.05％の非イオン界面活性剤溶液に２時間

表１ 白色抜染処方

浸漬した後，試験片を乾燥させ，色なきの程度を判定する方法

薬剤

処方１（ガム系糊剤）

処方２（CMC）である。耐光試験は，JIS L 0842 紫外線カーボンアーク灯光に

抜染剤

10.0

20.0

10.0

20.0

対する染色堅ろう度試験方法で評価した。さらに，耐久性試験

元糊※

①43.6

①38.8

②60.0

②53.3

は，抜染した試料を恒温恒湿器（PR-2ST タバイエスペック㈱）

水

46.4

41.2

30.0

26.7

に入れ，槽内温度 40℃，湿度 100％の条件に１週間暴露した。

合計

100

100

100

100
３ 結果及び考察※元糊…①メイプロガム NP15%② CMC 7%
印捺した生地は，乾燥後，ＨＴスチーマー（㈱市金工業社 ス

３．１ 二酸化チオ尿素の微粒子化
二酸化チオ尿素の粒子の SEM 画像を図１に示す。

チームペット）及び蒸し箱（㈱島精機製作所 SSB0708）で熱処理を行った。熱処理後は，水洗，中和処理（過酸化水素水）を経て，ソーピング，水洗，酸通しを行った。
着色抜染に関してもほぼ同様の手法で実施しているが，抜染糊に７銘柄の着色抜染用染料（挿し色染料）と助剤を加えている。さらに，必要に応じて，酸（酒石酸アンモニウム）も添加

図１ 二酸化チオ尿素の SEM 写真した。
表２に代表的な着色抜染糊処方を示す。

図１から確認できるとおり，本研究に用いた二酸化チオ尿素

表２は，100μｍ程度の粒子サイズを有しており，このサイズでは着色抜染処方使用する版（1,000 メッシュ）を通過することができない。

薬剤

処方１（酸なし）

処方２(酸添加)

染料

1.0

1.0

1.0

1.0

そこで，メノウ乳鉢による微粒子化を行った。その結果，図

尿素

4.0

4.0

4.0

4.0

２に示すように５μｍ程度にまで微粒子化することができた。

グリエシンＡ

2.0

2.0

2.0

2.0

抜染剤

10.0

20.0

10.0

20.0

4.0

4.0

酸
元糊※

43.4

38.1

41.3

36.0

水

39.6

34.9

37.7

33.0

合計

100

100

100

100

図２ 微粒子化した二酸化チオ尿素の SEM 写真
このサイズまで微細化すると，抜染糊と共に版を容易に通り※元糊…アルギン酸ナトリウム 10％

抜け，ウール生地にプリントすることが可能となった。

２．３ 評価
二酸化チオ尿素粒子は，走査型電子顕微鏡（以下，SEM）（日本電子㈱ JSM-5310LV）にて，サイズや形状観察を行った。
また，白色抜染及び着色抜染した生地は測色システム(コニカ
ミノルタ㈱ CM-3700d)により，抜染性及び染色性評価を行った。
抜染性は，白色抜染部分の色及び地染め前のウール生地の色を
Ｌ*ａ*ｂ*で表し（Ｌ*２ａ*２ｂ*２及びＬ*1ａ*1ｂ*1），次式で示
す色差式で計算した。４)
ΔＥ*ab=[（ΔＬ*）２+（Δａ*）２+（Δｂ*）２]1/2算出した 4)。具体的には，各波長において着色抜染した試料の反（２）３.１で得られた二酸化チオ尿素と塩化第一錫及びハイドロ
サルファイトナトリウムの３種を抜染剤として選定した。
これらの抜染剤と糊剤を配合して作製した抜染糊をウール生
地にプリントした。乾燥後，ＨＴスチーマー及び蒸し箱で熱処理を施し，抜染試料を得た。二酸化チオ尿素及び塩化第一錫でまた，種々抜染剤における抜染性（白色抜染部分と地染め前

一方，染色性は P.Kubelka&F.Munk の式から求めた K/S 値から

K/S＝（1-Ｒ）２/２Ｒ

３．２．１ 白色抜染における抜染剤・抜染処方の検討

抜染した生地の写真を図３に示す。

（１）

ただしΔＬ*＝Ｌ*2-Ｌ*1，Δａ*＝ａ*2-ａ*1，Δｂ*＝ｂ*2-ｂ*1

射率（Ｒ）を測定し，次式により K/S 値を算出した。

３．２ 白色抜染のウール白生地の色差）を表３に示す。
表３から，二酸化チオ尿素を用いた場合は，どの地染め色においても，「抜染部における白布との色差」の値が小さいことが分かる。これは，図３(a)からも確認できるように，良好な白色抜染が行われていることを示している。

－ 44 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

値としては，二酸化チオ尿素に及んでいない。加えて，CMC と塩化第一錫を混合すると凝固することから，塩化第一錫を用いる
場合，使用できる糊剤がガム系に限られることにも注意が必要である。
さらに，ハイドロサルファイトナトリウムに関しては，４銘(a)

柄全ての地染め色に対して，十分な抜染効果が得られず，地染(b)

め色が薄くなる程度であった。表３の色差に関してもすべて 30(a)抜染剤：二酸化チオ尿素 (b)抜染剤：塩化第一錫

図３ 白色抜染試料以上と高い数値を示している。

表３ 種々抜染剤の抜染性
熱処理条件

３種の抜染剤を比較すると，二酸化チオ尿素が最もウールの抜染部におけ抜染に有効な薬剤であることが明らかになった。

地染

抜染

抜染剤

め色

剤

濃度

る白布との色

二酸化チオ尿素の還元抜染機構については，以下の式で示す

（％）

差（ΔＥ）

とおり，スルホキシル酸（H2SO2）が発生し，このスルホキシル

赤

ニ酸

10％

ＨＴ３分

17

酸が還元作用を発現させていると言われている 5),6)。

赤

化チ

10％

スチーム 30 分

18

H2NC(:NH)SO2H+H2O→H2NC(NH2):O+H2SO2

青

オ尿

10％

ＨＴ３分

7

SO22-+2H2O→SO42-+4H++4e-

青

素

10％

スチーム 30 分

11

具体的には，アゾ基を有する染料に作用し，アゾ基をアミノ

黄

10％

ＨＴ３分

6

基まで還元し無色の化合物にするとされる。また，キノン構造

黄10％

スチーム 30 分

11を有する染料に対しても，還元作用を及ぼし，無色のヒドロキ

黒20％

ＨＴ10 分

18

シル基にすることが可能である。しかし，この場合は，空気酸

黒20％

スチーム 30 分

18抜
化の影響で徐々にキノン構造に戻ることも報告 7)されており，染後の復色の原因になる。

（３）

赤

塩化

10％

スチーム 30 分

23

赤

第一

20％

スチーム 30 分

27

一方，二酸化チオ尿素の必要量に関しては，地染め色が赤・

赤

錫

10％

ＨＴ10 分47

青・黄の場合，二酸化チオ尿素濃度が 10％で抜染が可能である

赤20％

ＨＴ10 分21のに対し，黒の場合は，同濃度では十分な抜染効果が得られず，

青20％

スチーム 30 分

4220％の二酸化チオ尿素濃度を要することが分かった。これは，

青20％

ＨＴ10 分42

地染め色の濃度が影響しているためであると考えられる。すな

黄20％

スチーム 30 分

28

わち，赤・青・黄の地染めは，0.3～0.5％の低濃度で染色して黄20％

ＨＴ10 分48

いるが，黒の場合は 5.2％と高濃度で染色している。地染め濃度

黒20％

スチーム 30 分

33が高ければ，それを抜染するために要する抜染剤量が増加する

黒20％

ＨＴ10 分32と考えられる。このことから，現場で抜染剤濃度を決定する際

赤

ハイ

15％

ＨＴ10 分

59

は，あらかじめ地染め染料の構造及び濃度を把握しておく必要

赤

ドロ

15％

スチーム 30 分

55があることが明らかになった。

青

サル

15％

ＨＴ10 分

43

また，還元抜染の進行に不可欠となる熱処理については，蒸

青

ファ

15％

スチーム 30 分

38

し箱によるスチーミングでは 30 分を要するのに対し，ＨＴスチ

黄

イト

15％

ＨＴ10 分

46

ーマーを用いると地染め濃度に応じて３分～10 分で抜染可能で

黄

ナト

15％

スチーム 30 分

32あることが分かった。

黒

リウ

30％

ＨＴ10 分60

今回検討に用いたＨＴスチーマーは，ボイラーからの過熱蒸

黒

ム

30％

スチーム 30 分

52

気が入っている影響を受け，熱処理時の槽内温度が 102～103℃まで上昇しており，100℃を超えることがない蒸し箱とは違いが一方，塩化第一錫を用いた場合は，図３(b)に示すように地見られた。この処理温度差が，僅かながらでもＨＴスチーマー

染め色が赤及び黒に限れば，一定の抜染効果が得られたが，青と蒸し箱の抜染結果の違いを引き起こしたと考えられる。この及び黄の時は，抜染不可能であった。ウール生地が明らかに収ことから，白色抜染における熱処理に関しては，一部の試料を縮するため，実用上は不可となる塩化第一錫濃度 30％で抜染を除き，100℃，30 分間の熱処理または高温蒸熱処理が可能なＨＴ

試みても，これらの地染め色の白色抜染は不可能であった。

スチーマーによる短時間（３～10 分）熱処理のどちらでも可能

また，一定の抜染効果が得られた地染め色が赤及び黒の場合であると考えられる。

でも，白色抜染部分がやや黄変しており，表３に示した色差の－ 45 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

３．２．２ 白色抜染生地の性能評価

以上のことから，二酸化チオ尿素及び塩化第一錫で抜染した

白色抜染した生地は，「大丸法」による色なき試験，耐光堅
ろう度試験及び白色抜染部の耐久性試験を実施した。

生地は，ある程度の実用的な性能を有していることが明らかになった。

色なき試験の様子を図４に示す。

３．３ 着色抜染
３．３．１ 着色抜染における抜染剤・抜染処方の検討
３．２．１で示したように，二酸化チオ尿素を用いて４銘柄の酸性染料で地染めした生地の白色抜染を試みた結果，全ての地染め染料に対して白色抜染が可能であることが分かった。そこで，二酸化チオ尿素による着色抜染の検討を行った。
着色抜染用の染料（挿し色染料）として，赤系３銘柄，青系

図４ 大丸法色なき試験

２銘柄，黄系２銘柄の計７銘柄を選定した。

図４は，各条件で抜染した試料を所定濃度の非イオン界面活抜染法は３．２．１で示した方法と同様であるが，保湿剤や性剤液に浸漬している様子である。この後，乾燥を経て目視で染料溶解剤等を加えた。さらに，挿し色染料の発色を向上させ

色なきの有無を確認した。その結果，抜染剤の種類や地染め色

るため，酸（酒石酸アンモニウム）を添加する必要性についてに関わらず，全ての試料で色なきは認められなかった。

も検討した。赤系３銘柄のうちの１銘柄である赤Ⅰによる淡色

耐光堅ろう度試験では，白色に抜染した部分に紫外線を照射

及び濃色の着色抜染試験結果を表５に示す。

することにより，地染め色の復色や黄変の発生有無を調べた。

表５ 赤Ⅰ挿し色染料による着色抜染性

その結果，抜染剤の種類によらず，黒に地染めした試料にお

地染

染料濃度

Total K/S 値

Total K/S 値

いて，抜染部分の復色を確認した。また，青に地染めした試料

め色

（％）

熱処理条件

熱処理条件

スチーム 30 分

ＨＴ1 分後に関しては，白色抜染部分の変色は確認できなかったが，地染
め色が退色していることが確認できた。地染めが黒の試料に関スチーム 30 分

しては，地染めに用いた黒色染料（C.I.Acid Black110）濃度が

淡色

酸なし

無

0.5

84

79

赤

0.5

86

90

る。一方，地染めが青の染料に関しては，地染めに用いた青色

青

0.5

102

87

染料（C.I.Acid Blue83）の耐光堅ろう度の弱さによるものであ

黄

0.5

90

85

黒

0.5

103

81

淡色

酸あり

高く，抜染剤濃度を高くしても，十分に抜染しきれず部分的に残留した地染め染料のアゾ基が再結合し復色したと考えられ8)ると考えている 。このように，抜染の性能評価の際は，地染め
染料の性能も影響を及ぼすことに注意が必要である。
耐久性試験に関しては，規定の温湿度条件に抜染試料を入れ，

無

0.5

76

79

抜染部分における試験前後の色の変化を色差で評価した。その

赤

0.5

100

106

結果を表４に示す。

青

0.5

117

105

表４ 白色抜染生地の耐久性試験

黄

0.5

91

106

抜染剤

黒

0.5

103

80

濃色

酸なし

無

２

126

126

赤

２

155

142

地染め色

色差

備考

（ΔＥ）
赤

チ 10％

0.9

青

チ 10％

4.7

黄

チ 10％

1.1

青

２

149

146

黒

チ 20％

1.9

黄

２

139

145

赤

塩 10％

1.3

黒

２

156

141

黒

塩 20％

3.3

濃色

酸あり

抜染部が薄青に復色※抜染剤 チ：二酸化チオ尿素，塩：塩化第一錫

無

２

124

134

表４に示すとおり，青に地染めした生地を二酸化チオ尿素で

赤

２

158

153

抜染した生地は，抜染部分が僅かに青色に変色しており，復色

青

２

156

141

が認められた。それ以外の試料については，ほとんど色の変化

黄

２

144

146

は確認できなかった。

黒

２

160

144

－ 46 －

栃木県産業技術センター

表５の地染め色「無」とは，ウールの白生地にプリントした

研究報告

No.13（2016）

表６ 着色抜染染料の染色性ものである。表５から，検討した銘柄に関しては，淡色染め，

染料銘柄

地染

Total

染料

地染

Total

濃色染めに関わらず酸は必要ではないことが分かった。一般的

染料濃度

め色

K/S 値

染料濃度

め色

K/S 値

に，酸性染料をプリントする際は，中性でもプリントが可能で酸あるが，ウール自体が前処理工程の関係でアルカリ性であった

赤Ⅱ

無

67

赤Ⅱ

無

130

り，糊剤のｐＨが高い場合があることから，アンモニウム塩を

0.5％

赤

85

２％

赤

140

添加する。今回の銘柄に関しては，酸を添加しなくても同等以

無

無

青

135

酸

青

110

上に染色が可能であった。これは，抜染剤である二酸化チオ尿

黄

69

黄

138

素は，昇温と共に水への溶解性が上がり，水溶液は酸性を示す

黒

97

黒

153

ことから，発色に不可欠な熱処理工程を行っている際，二酸化

赤Ⅲ

無

51

赤Ⅱ

無

139

チオ尿素が溶解し着色抜染部分のｐＨを下げる作用を起こして

0.5％

赤

85

２％

赤

146

いるためであると思われる。

無

青

77

無

青

140

黄

75

黄

140

黒

99

黒

167

しかし，他の挿し色染料には，酒石酸ナトリウムを添加すると発色性が向上する事例も見られることから，実用化の際は染料の銘柄ごとに，酸の有無をはじめとした着色抜染条件の検討

青Ⅰ

無

80

青Ⅰ

無

199

が必要であると思われる。

0.5％

赤

96

２％

赤

233

無

無

一方，熱処理条件に関しては，白色抜染と異なり，ＨＴスチ

青

98

青

233

ーマーを使用すると発色性が低下する傾向が見られた。この傾

黄

105

黄

231

向は全７銘柄とも同じであり，ＨＴスチーマーによる熱処理だ

黒

141

黒

283

けでは，抜染は進むが発色が不十分となることが示唆された。

青Ⅱ

無

94

青Ⅰ

無

214

表５に示したように，ＨＴスチーマーで処理した後，蒸し箱で

0.5％

赤

107

２％

赤

240

処理を施す検討も行ったが，発色性に明確な差は現れず，ＨＴ

有

有

青

246

青

89

スチーマーを使用する利点を見出すことはできなかった。この

黄

97

黄

245

ことから，着色抜染の際は，挿し色染料の発色が重要な要素と

黒

163

黒

292

なり，発色するために十分な蒸気量と時間を供給することがで

黄Ⅰ

無

27

黄Ⅰ

無

53

きる蒸し箱による熱処理が最適であることが明らかになった。

0.5％

赤

23

２％

赤

64

無

無

青

50

他の６銘柄の挿し色染料について同様の検討を行い，各銘柄

青36

における最適条件で着色抜染を行った結果を表６に示す。

黄

46

黄

60

また，図５に全７銘柄による着色抜染結果を示す。

黒

27

黒

37

黄Ⅱ

無

26

黄Ⅱ

無

72

0.5％

赤

36

２％

赤

77

無

青

31

無

青

86

黄

36

黄

82

黒

42

黒

103

(a)

(b)

(b)は青系染料（左から青Ⅰ，青Ⅱ），(c)は黄系染料（左から黄Ⅰ， 黄Ⅱ）で着色抜染したものである。各銘柄で左からウール白生地，地染め赤，地染め青，地染め黄，地染め黒を着色抜

染料濃度：１％o.w.p

染したものを示している。
ウール白生地の試料と比較して，着色部分の色が異なる場合
は，地染め染料の影響も一つの原因として考えられる。例えば，
黒に地染めした生地を黄系（黄Ⅰ及び黄Ⅱ）染料で着色抜染し(c)た際は着色抜染部分の色が僅かに異なっていることが分かる。

図５ 着色抜染結果（着色染料７銘柄）

これは，一部に地染め色である黒が残っているためである。

図５は，着色抜染を行った結果を染料の銘柄ごとに示したもまた，地染めが青の生地に黄系（黄Ⅰ及び黄Ⅱ）染料で着色のである。(a)は赤系染料（左から赤Ⅰ，赤Ⅱ，赤Ⅲ）であり，－ 47 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

抜染した試料についても，地染め青の影響を受け，緑色を帯

４ おわりにびた黄色になっている。

安全な試薬でウール生地の抜染を行うため，二酸化チオ尿素

表６では，着色抜染時の酸の有無及び淡色・濃色に着色抜染を用いた還元抜染法を開発した。具体的には，抜染剤として二を実施した際の染色性を数値的に示している。表６の中で，地酸化チオ尿素を混合した抜染糊をウール生地に印捺し，熱処理

染めが黒で黄Ⅱの染料で抜染した結果の Total K/S 値が高いこを行うことで，白色抜染及び着色抜染を試み，得られた抜染生とが読み取れるが，これは図５の説明で述べたとおり，地染め

地の白色抜染性や着色抜染生地の染色性について評価し，次の色の残留によるものである。

ような結果が得られた。

一方，図５の説明で述べた地染めが青の生地に黄系の挿し色(1) 赤・青・黄・黒の４銘柄の酸性染料で地染めしたウール生

染料で着色抜染した試料については，表６においては，それほ地の白色抜染を試みた。その結果，全ての試料の白色抜染

ど大きな差として見られない。

が可能であることが分かった。抜染剤の濃度については，

これは，測色と目視評価の違いであると考えられる。このよ

地染め染色濃度等の影響を見ながら決定する必要がある。

うな事例も見られるので，実際の着色抜染性を評価する際は，（2）４銘柄で地染めしたウール生地に対して，異なる７銘柄の測色等の数値評価のみに頼ることなく，色調についても目視等

挿し色染料による着色抜染を試みた。その結果，７銘柄全で正確に把握しておく必要があると考えられる。

ての染料で着色抜染が可能であることが明らかになった。

３．３．２ 白色抜染生地の性能評価

着色抜染の際は，挿し色染料の発色が重要になることから，

着色抜染した生地は，白色抜染した生地と同様「大丸法」に蒸し箱による３０分間の熱処理が必要であることが分かよる色なき試験，耐光堅ろう度試験及び白色抜染部の耐久性試った。

験を実施した。
色なき試験の結果，抜染剤の種類や地染め色に関わらず，全謝ての試料で色なきは認められなかった。

辞本研究を実施するにあたり多大なる御指導と御助言をいただ

耐光試験では，着色抜染した部分に紫外線を照射することにより，地染め色の復色や着色部分の変退色の発生有無を調べた。

きました三共生興ファッションサービス㈱ 清家 志郎様に深く感謝いたします。

その結果，抜染剤の種類によらず，黒の地染め試料に黄Ⅰ及びⅡで着色抜染した生地において，着色抜染部分の変色を確認参考文献した。また，青の地染め試料に関しては，着色抜染部分の変色

1) 富原健之："加工技術"，32，3，213 (1997)

は確認できなかったが，地染め色が退色していることを確認し

2) 松井誠，星野泰造，平野紀正："加工技術"，26，8，518 (1991)

た。白色抜染の性能評価の部分でも述べたとおり，地染めが黒3) 日本化薬㈱：化薬酸性染料の諸性質について（1977）の場合は，地染め染料を十分に抜染できていないことが原因で

4) 日本繊維工業教育研究会："カラーリング技術"，実教出版

あると考えられる。また，青に地染めした試料についても，耐5) 大矢 勝："洗浄剤[５]：漂白剤・漂白活性化剤" ，洗浄・

光堅ろう度が弱い地染め染料であることが原因であると考えら

洗剤の化学ホームページ http://www.detergent.jp/

れる。

6) 東海電化工業㈱："テックライト技術資料"

耐久性試験に関しても，白色抜染の評価で実施した方法を採用した。その結果，黒の地染め試料に赤Ⅰ及び黄Ⅰで着色抜染

7) 藤安洸一郎："紙パルプ技術協会誌"，54，2，156（2000）
8) 有機合成化学協会編："染料便覧"，丸善（1970）

した生地において，僅かに地染め色の復色が見られた（試験前後の色差が７～9 程度）以外は，概ね変色や復色は確認されなかった。

－ 48 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

共同研究

CFRP の曲げ加工に関する研究
大森 和宏*

山畑 雅之*

小池 宏侑*

福田 龍夫**

清水 義雄**

竹之内 孝雄**Study on Bending Process for CFRP
Kazuhiro OMORI, Masayuki YAMAHATA, Hiroyuki KOIKE, Tatsuo FUKUDA, Yoshio SHIMIZU and
Takao TAKENOUCHI
連続繊維 CFRTP を空気圧式の圧縮成形機により，不連続繊維 CFRTP を真空成形機により加工し，形状評価を行った。連続繊維 CFRTP のコの字型加工品の底面と側面のなす角度は金型温度に依存し，金型温度が高くなるにつれ角度は小さくなる傾向にあった。連続繊維 CFRTP の角筒型加工品の加工においては，圧力，
金型温度が高い方が，深さが深くなった。不連続繊維 CFRTP の角筒型加工品は金型寸法より若干小さくなり，型当たり面においては金型形状を良好に転写した。
Key words: 炭素繊維強化熱可塑性プラスチック，圧縮成形機，真空成形機

１ はじめに

２．２ 加工方法

炭素繊維強化プラスチック（CFRP）は，高い比強度，比弾性

連続繊維 CFRTP の加熱は，ヒーター（熱板）で挟み込む「サ率の特徴から，航空機等輸送機器用の材料として利用されてきンドイッチ法」により行った。マトリックスのヒーターへの溶た。近年，短時間で加工が可能な炭素繊維強化熱可塑性プラス

着を防ぐため，ヒーターと CFRTP の間には厚さ 0.1 mm の PTFE

チック（CFRTP）が自動車分野において注目されており，今後のシートを挿入した。加熱時間は 5 分間とし，加熱温度は 230 ～利用拡大が見込まれている。

250 ℃とした。

CFRTP の加工は，主に連続繊維 CFRTP では油圧式又は機械式プ
不連続繊維 CFRTP では圧縮レス機によるプレス加工によって 1)，
成形や射出成形によって行われている。本研究では，CFRTP 加工法の拡大のため，空気圧式の圧縮成形機を用いた連続繊維 CFRTPの，真空成形機を用いた不連続繊維 CFRTP の加工の可能性を探った。各加工法により，コの字加工品及び角筒型加工品を作製し，加工品に対して形状測定を行い，加工性について考察した。
２ 研究の方法
２．１ 材料CFRTP は以下のものを用いた。
連続繊維 CFRTP（一村産業(株)製）
マトリックス : ナイロン 6（PA6）
厚さ : 1 mm
Vf : 50 ～ 55 %（3K 平織り）
不連続繊維 CFRTP（東レプラスチック精工(株)製）
マトリックス : PA6
厚さ : 1 mm
Vf : 20 %図１ 金型形状簡略図（単位：mm）(a)コの字型加工品用雄型，(b)コの字型加工品用雌型，*(c)角筒型加工品用雄型，(d)角筒型加工品用雌型

栃木県産業技術センター 県南技術支援センター** 株式会社シンシ－ 49 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

加熱した CFRTP を，空気圧式の圧縮成形機（ファインラボプが見られた。この結果は，金型温度が低温の場合はマトリック

レス（(株)東洋精機製作所））内にセットした金型に配置し，スの固化が速く，加工品底面に加わる加圧の影響が少なかった加圧した。圧力は 4 ～ 7 kN，加圧時間は 0 ～ 60 秒とした。金のに対し，金型温度が高温の場合はマトリックスの固化が遅く，型温度は圧縮成形機の熱板温度により制御し，10 ～ 180 ℃と加工品底面に加わる圧力の影響が大きくなったことを示唆してした。金型寸法は図１のとおりである。

いる。そこで，加工品底面に加わる圧力の影響を除外するため，

真空成形及び圧空成形は，真空・圧空成形機（PHSLー1011－

型にシリコンゴムのスペーサーをセットし，型閉じが完了した

PWB（布施真空(株)）により行った。金型は角筒形状の雄型（凸際に材料と雌型の間に空間が生じるように調整して，同様の加型）を用いた（寸法：96 × 140 mm）。

工を行った。その結果を図２(b)に示す。図２(a)と比較し，各２．３ 評価条件において 1 °程度角度が大きくなったが，この場合であっ形状測定は，表面粗さ測定機（SV-C624（(株)ミツトヨ））及ても金型温度による角度の変化が見られ，金型温度が低下する

び三次元座標測定機（LEGEX910（(株)ミツトヨ））により行っ

につれてほぼ直線的に角度が大きくなる結果となった。この方た。

法で作製した加工品の底面の板厚を測定すると，金型温度にかかわらずほぼ一定であったため，底面の加圧の影響は排除でき
３ 結果及び考察ていると考えられる。以上より，マトリックス樹脂の結晶化度

３．１ 連続繊維 CFRTP のコの字型加工品

及び底面の加圧が複合的に，加工品寸法に対し影響を与えてい

各加工条件により作製した連続繊維 CFRTP について，雄型ることが示唆された。

（90.0°，R = 3.2 mm）当たり面における底面と側面のなす角

本研究において，コの型字加工品の加工条件全てにおいて，度を表面粗さ測定機により測定した。金型温度 80 ℃，圧力 4 kN，

角度が雄型の角度である 90°以下となった。また，金型温度が加圧時間30 秒の条件下において，
材料加熱温度230，
240，
250 ℃

高くなるにつれ，角度は小さくなった。このことについて，以で推移させた場合，加工品の角度は約 88 ± 0.5°で変わらなか

下に考察する。材料をマトリックスの融点以上で加熱すると，った。また，金型温度 80 ℃，圧力 4 kN，材料加熱温度 250 ℃

マトリックス樹脂の膨張により炭素繊維層間距離が広くなる。

の条件下において，加圧時間 0，30，60 秒で推移させた場合もこの状態の材料に対し金型を閉じていくと，まず金型のクリア同様に大きな変化はなかった。金型温度 80 ℃で，材料加熱温度

ランスに応じた厚さで側面が形成されるが，この時点での底面

250 ℃，加圧時間 30 秒で，圧力を 4，5，6 kN で推移させた場の材料は，雄型側では雄型に沿った形状となっているのに対し，合も同様であった。一方，金型温度を変化させた場合，角度は

外周は材料の膨張により距離が長くなっている（図３(a)）
。次大きく変化し，金型温度が低下するにつれてほぼ直線的に角度

いで材料底面が雌型に達すると，材料が加圧され炭素繊維層間が大きくなる結果となった（図２(a)）。

距離が小さくなる（図３(b)）
。この際，雌型側の余剰の炭素繊
維はクリアランスのある金型角部に存在することになり（図３(c)），角部において，外周の距離が長くなる。その結果，加工品側面が内側に倒れこんだと考えられる。
３．２ 連続繊維 CFRTP の角筒型加工品
金型温度を 80 ～ 160 ℃，圧力を 4 ～ 7 kN で変化させて角筒型加工品を作製した。金型温度及び圧力を上昇させるにつれ，加工品の深さは上昇する傾向にあったが，型閉じは完了しなかった。空気圧式の圧縮成形機の場合，型閉じ完了まで時間がか

図２ 各金型温度に対する加工品の角度かるため，加圧途中で材料が冷却されてしまい，マトリックス(a)材料加熱温度：250℃，圧力：4kN，加圧時間：30 秒

樹脂が固化したことが原因であると考えられる。そこで，金型(b)材料加熱温度：250℃，圧力：4kN，加圧時間：30 秒，

温度を 180 ℃に上げ，圧力 7 kN の条件で加工を試みた。その結シリコンスペーサー使用

果，型閉じが完了し，加工品の深さは 20.8 mm となった。作動が遅い空気圧式の圧縮成形機を用いる場合，金型温度を高く設

金型温度の変化が CFRTP に対して与える影響としては，①マ定する必要があることが示唆された。なお，本研究で用いた連トリックス樹脂の固化時間が異なることにより，材料が受ける

続繊維CFRTP 材料のマトリックスはPA6 であり，
DSC 測定の結果，圧力の影響に違いが生じたか，②マトリックス樹脂の結晶化度

100 ℃/min で冷却した場合の結晶化温度は約 180 ℃であった。

の違いにより収縮の程度に違いが生じたかのいずれかであると加工過程において，加熱材料移動による冷却やマトリックスの思われる。そこで，①を検証するため，各加工品の底面の板厚結晶化による発熱等様々な熱変化があるものの，本材料の加工を測定してみると，金型温度が上昇するにつれ，薄くなる傾向

における金型の上限温度は約 180 ℃であると思われる。

－ 50 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

図３ 連続繊維 CFRTP 角筒型加工品の形状測定結果
加工条件 ： 金型温度 80 ℃，圧力 4 kN。(a)加工品の外周，(b)加工品の内周，図は縦横比 30 : 1 で表示

図３ コの字型加工品の加工過程
実線：金型，破線：材料内周及び外周，点線：材料の膨張がなかった場
合の材料外周，(a)型閉じ初期の模式図，(b)型閉じ完了時の模式図，(c)(b)の角部拡大図，材料外側の炭素繊維が押し出され，側面が内側に

図４ 不連続繊維 CFRTP 角筒型加工品の形状測定結果

倒れ込む。

(a)加工品の外周，(b)加工品の内周，図は縦横比 40:1 で表示

角筒型加工品の内周，及び外周について三次元座標測定機に４ おわりにより測定した結果を図３に示す。内周は比較的平坦な面を形成

空気圧式の圧縮成形機により連続繊維 CFRTP のコの字型加工しており，雄型形状を良好に転写していることが伺える（図３

品及び角筒型加工品を，真空成形機により不連続繊維 CFRTP の(b)）。雄型寸法を測定した結果，x，y 共に 60.0 mm であったの

角筒型加工品を作製し，形状評価した。連続繊維 CFRTP のコのに対し，加工品内側は x，y 共に 60.1 mm であり，ほぼ雄型形状

字型加工品の底面と側面のなす角度は金型温度に依存し，金型どおりの寸法になった。一方，内周に比べて外周の真直度は低温度が高くなるにつれ低くなる傾向にあった。連続繊維 CFRTP

く，全ての加工品の外周において，角部付近が若干厚くなる傾の角筒型加工品は金型温度及び圧力が高くなるほど深さが深く向が見られた（図３(a)）。CFRTP 材料で角筒型加工品を加工すなり，金型温度 180 ℃，7 kN の条件で型閉じが完了した。加工る場合，角部に炭素繊維が集まることが知られており，その集品の内周は雄型形状を良好に転写したのに対し，外周は角部がまった炭素繊維の影響により角部が厚くなっていることが示唆

若干厚くなる傾向があった。不連続繊維 CFRTP の角筒型加工品される。

は金型寸法より若干小さくなり，型当たり面においては金型形

３．３ 不連続繊維 CFRTP の角筒型加工品

状を良好に転写した。

本研究では，上下ヒーター温度がそれぞれ 420 ℃，400 ℃で，謝

材料を 70 秒間加熱する一条件において，角筒加工品が不良なく本事業で用いた測定機の一部は公益財団法人 JKA の補助事業得られた。本研究で用いた CFRTP のマトリックスの PA6 は結晶性樹脂であり，融点前後での体積変化及び流動性変化が大きい辞によるものであり，競輪マークを記して謝意を表する。

材料である。真空成形するに当たり，材料温度が低すぎると変参考文献

形できず，高すぎるとドローダウン量が大きくなり過ぎるため，

1) (株)三菱化学テクノリサーチ： "平成 24 年度 中小企業支援

加工可能な温度範囲は狭いことが考えられる。
図４に，加工品の内周，及び外周について三次元座標測定機
により測定した結果を示す。外周に対し，内周の真直度が高い

調査－炭素繊維複合材料の加工技術に関する実態調査－調査報告書"

ことが伺える。本研究においては雄型を使用しており，加工品の型当たり面である内面においては金型表面形状を良好に転写

本研究は，公益財団法人 JKA 補助

していることが示された。一方，本加工品の寸法は，金型寸法事業により整備した機器を活用しに対して，短辺では 0.5 mm 程度，長辺では 1 mm 程度小さくなて実施しました。

った。マトリックス樹脂の収縮によるものと思われる。

－ 51 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

共同研究

新型高炉セメントを用いたコンクリートの長期性状に関する研究
金子 優*

伏木 徹*

長 英昭*

横室 隆**

宮澤 祐介**

Study on Concrete Using a New-style Blast Furnace Slag Cement
Masaru KANEKO, Toru FUSEGI, Hideaki CHO, Takashi YOKOMURO and Yusuke MIYAZAWA
市販の高炉セメント B 種よりも比表面積を小さくし，高炉スラグの配合割合を変えた新型高炉セメン
トを用いたコンクリートについて，収縮や水和発熱の低減及び，長期の耐久性向上を目的として，圧縮強度，収縮，中性化深さ等の物性測定，Ｘ線回折，電子顕微鏡観察等の化学分析を行った。新型高炉セメントは高炉セメント B 種と普通セメントよりも水和発熱が低減され，その中でも高炉スラグの配合割合が大きい方が低減効果は高くなった。また，新型高炉セメントは高炉スラグの配合割合が大きいほうが収縮の低減効果が大きく，水和発熱の低減と同様な傾向が見られた。さらに，10 年経過した試料の成分を比較すると，SO3 成分が多いものほど，収縮が小さかった。
Key words: 高炉セメント，コンクリート，せっこう，エトリンガイト，低発熱型セメント

１

はじめに

製鉄所で銑鉄をつくる際に副産される高炉スラグを混合したコンクリートのひび割れリスクの低減を図るとともに，圧縮強高炉セメントは，資源の有効利用，CO2 の排出量低減などの観点

度，中性化深さなどの長期的な耐久性を明らかにすることを目から，多くの土木・建築構造物に使用されている。この高炉セ指した。

メントの使用量は，我が国では全セメントの約 20～25%を占めている 1),2)。また，高炉セメントを用いたコンクリートは，温度ひび割れ低減，アルカリ骨材反応の抑制，化学抵抗性などの効果があることが知られている

２ 研究の方法
２．１ 使用材料

1)-3)。しかし，大型構造物のようなマ

２．１．１ セメント及びコンクリート材料

スコンクリートに高炉セメントを用いた場合，ひび割れのリスクが指摘されている本研究に使用した高炉スラグ微粉末を表１に，普通ポルトラ2),4)-6)。

ンドセメント(N)と市販高炉セメントB 種(BB)の物理特性及び化

一般的に，高炉セメントの比表面積は大きいものほど初期強学成分を表２に示す。

度は高くなるが，収縮の観点からみると比表面積の小さいもの
ほど低減される

せっこうが含まれていない高炉スラグ微粉末(BF)と天然無水

4),7)

せっこう(密度 2.90g/cm3，比表面積 4,800cm2/g)を調整し SO3 量。また，SO3 量を適切な範囲で大きくすることにより，収縮及び水和発熱の低減が期待される 8),9)。

が 4%となるように混合した，新型高炉セメントとして BB40(密そこで本研究では，市販の高炉セメント B 種(約 4,000cm2/g)

比表面積3,220cm2/g，
スラグ分量 40%)及びBB60(密度3.04g/cm3，

よりも比表面積を小さくし(約 3,000cm2/g)，SO3 量を調整し，高度 2.98g/cm3，比表面積 3,130cm2/g，スラグ分量 60%)の 2 種類を炉スラグの分量(40%と 60%)を変えた，新型高炉セメントを用い試作した。

たコンクリートについて，普通ポルトランドセメント及び市販
高炉セメント B 種と比較検討し，水和発熱及び収縮を抑制して

表１ 高炉スラグ微粉末の物理的性質と化学成分(%)
記号
高炉スラ
グ微粉末

*

BF

比 表面 積密度(cm 2 /g)
(g/cm 3 )

2.94

3030

強熱
減量

0.02

SiO 2

Al 2O 3

Fe 2O 333.43 15.20

0.93

栃木県産業技術センター 県南技術支援センター** 足利工業大学－ 52 －

CaO

MgO

S

Na 2O

K 2O

41.41

6.15

0.85

0.24 0.10

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

表２ 市販セメントの物理的性質及び化学成分記号

密度
比表面積 高炉ｽﾗｸﾞ
32(g/cm ) (cm /g) 分量(%)

強熱
減量

SiO 2

Al 2O 3

Fe 2O 3

CaO

MgO

SO 3

Na 2O

K 2O

普通ﾎﾟﾙﾄﾗ
ﾝﾄﾞｾﾒﾝﾄ

N

3.16

3,320

0

1.29 21.00

5.41

3.06

63.82

2.27

2.11

0.35

0.31

高炉ｾﾒﾝﾄ

BB

3.04

3,920

40

1.02 24.68

8.62

2.36

56.80

3.52

1.67

0.33

0.31

表３ 実機により練混ぜたコンクリートの調合と得られた結果

W/C

s/a

単位量(kg/m 3)

荷卸し時

セメン
ト種類 (%)

(%)

水

ｽﾗﾝﾌﾟ
(cm)

N
BB
BB40
BB60

44.8
45
44.5
44

53.9
53
50
48

ｾﾒﾝﾄ

168
168
166
165

312
317
332
344

細骨材 粗骨材

803
802
790
774

1003
992
996
996

ｺﾝｸﾘｰﾄの ﾜｰｶ
空気量
練り上り ﾋﾞﾘ(%)
温度(℃) ﾃｨ

10
11.5
14.5
10

5
3.5
5.2
4.4

10 良
9良
11 良
11 良

比較用セメントとして，表２に示す市販の普通ポルトランド
セメント(N)及び高炉セメント B 種(BB)を用いた。細骨材は，佐野市葛生地区産砕砂(70%)と陸砂(30%)の混合砂(絶乾密度2.56g/cm3，粗粒率 2.73)，粗骨材は同地区産砕石 2005(絶乾密度2.56g/cm3，最大寸法 20mm)を用いた。水は地下水，化学混和剤
は主成分がリグニンスルホン酸化合物とオキシカルボン酸の複合体の AE 減水剤(セメントの 1%量を使用)を用いた。
２．１．２ コンクリートの調合
コンクリートの目標強度については，材齢 91 日で圧縮強度
27N/mm2 以上とし，試し練りにより調合を定めた。そのコンクリ
ートの水セメント比(W/C)は，
N では 54%，
BB は 53%，
BB40 は 50%，
BB60 は 48%,全骨材に占める細骨材の容量の割合(s/a)は 44～45%とした。また，スランプは 12±2.5cm，空気量は 4.5±1.0%
図１ 断熱温度上昇の測定試験を目標とした。なお，実際に得られたコンクリートの調合を表３に示す。

などから，目視により判断した。

２．１．３ 生コン工場の練混ぜから荷卸しまで
3

生コン工場の練混ぜは 2 軸ミキサを用い，1.5m 分に相当する（４）温度上昇

化学混和剤を含んだ水，細骨材及び粗骨材の順に投入し，セメ

コンクリートの温度上昇は，図１に示すように，鋼製型枠をントを入れ合計 2 分間練り混ぜた。このコンクリートをアジテ用い，厚さ 10cm の発泡スチロールで内側全面を断熱し，その中ータトラックで，20 分かけて現場に輸送し，荷卸し時における心に銅コンスタンタンの熱電対を埋込み，10 日間の内部温度をスランプ，空気量およびコンクリートの練上り温度を測定した。

測定した。

２．２ 実験の方法

２．２．２ 硬化コンクリートの物性２．２．１ フレッシュコンクリートの性状（１）圧縮強度（１）スランプ
JIS A 1101 により行った。
（２）空気量JIS A 1108 により行った。なお，20℃水中養生は材齢 7 日，
28 日，91 日，365 日，5 年，10 年で試験した。
（２）収縮率（長さ変化率）

JIS A 1125 によって行った。
（３）ワーカビリティ
スランプ試験時にスランプしたコンクリートの形状や崩れ方

JIS A 1129-1 に基づき，乾燥期間 10 年までの長さを測定した。
なお，基長は材齢 7 日とし，その長さ変化率の絶対値を収縮率として求めた。

－ 53 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

表４ 粉末Ｘ線回折における定量ピーク
水和生成物

2θ(°)

AFt

9.1

Afm

9.9

CaSO4･2H2O

12 付近

Ca(OH)2

18.06

CaCO3

29.4

α-Al2O352.52

測定条件は，Ｘ線源 Cu-Kα，管電圧 40kV，管電流 20mA，走査範囲 2θ=5°～60°，サンプリング間隔 0.02°，スキャンスピ
図２ 屋外自然暴露したコンクリートの供試体

ード 2°/min とした。
解析は，伊代田らの文献 11)-14)を参考にし，各生成物に応じて採用する定量ピークを限定し，ピーク位置，（３）中性化深さ

積分強度を算出した。定量対象としたピークを表４に示す。

図２に示す供試体を用い，かぶり厚さ(2,3,4cm)の磨き鉄筋をそして，内部標準物質の回折ピーク(2θ=52.52°)の積分強度配筋した。そして，自然暴露した材齢 1 年，5 年，10 年の中性を 100 としたときの各生成物について積分強度比を算出した。

化深さの測定を行った。中性化深さの測定は，長手方向に 10cm

なお，水和反応が始まってから 10 年経過しており，一部を除厚に切断・清掃し，その断面にフェノールフタレインアルコー

きエーライトやビーライトは定量できるほどのピークが検出でル溶液(1%)を噴霧し，両側面計 40 ヶ所をノギスで測定し，平均

きず，今回は分析対象外とした。

中性化深さを求めた。

２．３．４ 走査型電子顕微鏡(SEM)観察２．３ 長期養生したコンクリートの化学分析

生成物の結晶構造等を確認するため，前処理した試料につい２．３．１ 分析用試料の前処理て，日本電子㈱製 JSM-6510LA により，SEM 観察を行った。

SO3 の配合量の調整や高炉スラグ配合量の違いが新型高炉セメントコンクリートの長期耐久性に及ぼす影響について検討するため，２．２．２（１）で用いた材齢 10 年のものから分析試

３ 結果及び考察
３．１ フレッシュコンクリートの性状と温度上昇

料を採取し，同じく（３）で用いた自然暴露した材齢 10 年の供目的のセメントを用いたフレッシュコンクリートの実験結果

試体のそれぞれ中性化部分及び未中性化部分から分析試料を採を表３に示す。荷卸し時のスランプ及び空気量は目標とした値

取し，アセトンに浸漬して反応を停止させた。

が得られ，ワーカビリティも良好であった。

そして，所定の方法 10)で微粉砕する等の前処理を行い，ガラ

コンクリートの断熱温度上昇量を図３に示す。図３から，普ス製サンプル瓶に密閉保存した。

通ポルトランドセメント N の最高温度は，44.9℃，市販高炉セ２．３．２ 蛍光Ｘ線分析

メント BB は 42.6℃，BB40 は，41.7℃，BB60 は 38.8℃となって

JIS R
目的のコンクリートの組成やSO3 成分等を確認するため，いる。このことから，新型高炉セメントでは，N に対して最高温

5204 に準拠して，化学成分を全て酸化物に換算して，日本電子

度は BB40 で 3.2℃，BB60 で 6.1℃低くなった。また，BB に対し㈱製 JSX-3100RⅡにより定量分析を行った。

て最高温度は BB40 で 0.9℃，BB60 で 3.8℃低くなった。また，

なお，測定条件は，管電圧 50ｋＶ，コリメータ 7mm，測定時
間(ライブタイム)120 秒，雰囲気：VAC(真空)，測定モード：定量分析(検量線法)とし，測定用試料は粉体成形法により作製した。
また，セメント協会が作製した蛍光Ｘ線分析用セメント標準
試料 17 点を用いて検量線を作製し，２．３．１で前処理した試料の SO3 含有率を測定した。
２．３．３ 粉末Ｘ線回折目的のコンクリートの水和生成物の生成量の相対比較を行う
ため，前処理した試料に内部標準物質としてα-Al2O3 を内割り10%添加して，マックサイエンス社製 MXP-3 により粉末Ｘ線回折の測定を行った。

－ 54 －

図３ コンクリートの断熱温度上昇量

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

高炉スラグの配合割合が大きいほうが最高温度は低減されていた。
３．２ 圧縮強度
新型高炉セメント等を用いたコンクリートの圧縮強度を図４
BB は 13.9N/mm2，に示す。
材齢 7 日の N の圧縮強度は 16.3N/mm2，
BB40 は 11.9N/mm2，BB60 は 11.3N/mm2 となっており，新型高炉セメントの初期強度は N や BB に比して小さくなっている。
これは，
高炉セメントの比表面積を粗くしたため，BB より初期強度が低くなったものと考える。しかし，材齢 91 日でみると，市販高炉セメント BB の 37.6N/mm2 に対して，BB40 は 38.9N/mm2，BB60 は39.3N/mm2 と逆に新型高炉セメントの圧縮強度のほうが高くな
図４ 20℃水中養生の圧縮強度っている。
さらに，長期の材齢でみると，材齢が長いほど BB40 と BB60の圧縮強度は高くなっていった。
材齢10年では，Nが52.1N/mm2，
BB が 55.8N/mm2 に対して，BB40 は 57.9N/mm2，BB60 は 61.4N/mm2となっており，高炉スラグの分量が多いほど高くなっていた。
３．３ 収縮率
新型高炉セメント等を用いたコンクリートの収縮率を図５に示す。
図５から，初期の収縮率では，BB40 が 1.75×10-4，BB60 は 1.69
×10-4 となり，BB の 1.97×10-4 と N の 2.07×10-4 よりも小さくなっている。二戸 15),16)らによると，高炉セメントの比表面積が

図５ 収縮率小さいほど収縮が抑制される。すなわち，新型高炉セメントでは比表面積を粗くしたため，収縮率が小さくなったものと考える。
また，長期の材齢のものほど，N や BB と比べて新型高炉セメ
ントでは収縮率が低減されている傾向が見られ，
材齢10 年では，
N は 10.21×10-4，BB は 10.51×10-4，BB40 は 10.12×10-4，BB60
は 9.89×10-4 となっている。高炉スラグ割合が 40%から 60%に増えると高炉セメントの収縮が小さくなると報告が幾つかあることから，新型高炉セメントでも，高炉スラグの配合割合が大きいBB60 のほうが収縮率の低減効果が大きくなったと考えられる。

図６ セメントコンクリートの中性化深さ

３．４ 中性化深さ
新型高炉セメント等を用いたコンクリートの中性化深さを図６に示す。
材齢10 年のBB60 は27mm となっており，
BB40 の19.3mm，

圧縮強度が大きいほど目的のコンクリート中の SO3 含有率は大きい傾向を示すことがわかった。
したがって，比表面積を小さくした新型高炉セメントにおいBB の 17mm，N の 14mm とよりも大きい。これは，高炉スラグの配合を多くした影響によるものと考えられる。

ても，SO3 の量が多くなるように調整したことが圧縮強度の増進

３．５ 蛍光Ｘ線分析に影響している可能性があると思われる。

水中で 10 年養生した目的のコンクリートは，蛍光Ｘ線分析に

３．６ 粉末Ｘ線回折よる定量分析の結果，SO3 成分が多い順に，BB60(1.23%)，
BB40(0.78%)，BB(0.61%)，N(0.31%)であった。

粉末Ｘ線回折により得られた10 年水中養生したコンクリートの回折パターンを図７に示した。図７より，エトリンガイト，

なお，高炉セメントにせっこうを添加して SO3 量を 4%程度まモノサルフェート，Ca(OH)2 水和物，CaCO3 等の生成物由来とみで増やすと高炉スラグの水和反応が長期的に持続するいわゆるられる回折ピークが認められた。これら生成物のうちエトリン

潜在水硬性が発揮され，圧縮強度が増進し続けることはよく報

ガイトと CaSO4･2H2O の積分強度比を図８に示す。エトリンガイ

10)-13),17)。 ３．２の結果から，材齢 5 年以降のコト（2θ=9.1°）は積分強度比が大きい順に，BB40(63) > BB60(49)ンクリートの圧縮強度は大きい順にBB60 > BB40 >BB >N であり，

> BB(11) > N(3)であった。そして，せっこう（CaSO4･2H2O）(2

告されている－ 55 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

θ=12°付近)も同様に，BB40(46) > BB60(24) > BB(14) > N(8)であった。高炉セメント等にせっこうを添加して SO3 量を 4%程度に調整した場合，エトリンガイト及び CaSO4・2H2O の生成量が増えて，長期の圧縮強度も高くなる傾向があることが報告されている 15),16)。したがって，新型高炉セメントである BB40 及びBB60 においても，SO3 量が 4%となるようにせっこうを添加して調整されているため，10 年経過後も，CaSO4･2H2O とエトリンガ
イトの生成量が N や BB より多くなり，圧縮強度も BB と N より高くなっているものと考えられる。
３．７ SEM 観察
10 年水中養生した BB40 及び BB60 の SEM 観察を行った結果を図９に示す。新型高炉セメント BB40 及び BB60 の SEM 観察でエ

図７ 粉末Ｘ線回折パターン(水中 10 年養生）

トリンガイト針状結晶の生成が確認できた。これは，３．６の結果と併せて考えると，圧縮強度が増進した新型高炉セメント(BB40 と BB60)では，エトリンガイト結晶が市販高炉セメント(BB)よりも多く生成していることが確認できた。
３．８ 中性化
屋外に10 年養生したコンクリートの中性化部分の粉末Ｘ線回
折パターンを図 10 に示す。
いずれも，CaCO3(カルサイト)の回折ピーク(2θ=29.4°)が観察されたが，積分強度比は 420～470 であり，CaCO3 の生成量に大きな差はなかった。中性化深さはまだ 14mm～27mm であり，鉄筋の錆も認められなかったことから，その差は小さいと考えら
図８ Ｘ線回折生成物の積分強度比(水中 10 年養生)える。
４ おわりに
本研究では，市販の高炉セメント B 種(約 4,000cm2/g)よりも比表面積を小さく(約 3,000cm2/g)して，SO3 量を 4%程度に調整することで，収縮の低減を図ることができた。また，高炉スラグの分量を(40%と 60%)変えることで，そして，新型高炉セメント
コンクリートの水和発熱を，普通ポルトランドセメントと比べて最大 6.1℃，高炉セメント B 種よりも最大 3.9℃低減すること

図９ SEM 写真(1000 倍)(水中 10 年養生)ができた。
そして，新型高炉セメントの長期耐久性(圧縮強度，中性化深さ等)について，10 年経過した生成物について，粉末Ｘ線回折等による化学分析を併せて行ったところ，新型高炉セメントの圧
縮強度が市販高炉セメントを上廻っており，SO3 を増やして調整したことが圧縮強度の増進につながっている可能性が高いと考えられる。また，圧縮強度が増進した新型高炉セメントでは，
エトリンガイト結晶が市販高炉セメントよりも多く生成していることが確認できた。

図 10 粉末Ｘ線回折パターン(中性化部分 10 年暴露）－ 56 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

参考文献
1) 横室隆，宮澤伸吾，川上勝弥：コンクリート用高炉スラグ活11) 亀山敬宏，伊代田岳史：水和に消費される水分量に着目し用ハンドブック，セメントジャーナル社，8－54，(2011)

た高炉セメントの水和反応解明，土木学会 関東支部技術研2) セメント協会編著：セメントの常識，セメント協会，(2015)3) 依田彰彦，横室隆，壇康宏ら：高炉スラグ微粉末を使用する

究発表会，V-63，(2012)12) 堺孝司，渡辺宏，下林清一：高炉スラグ高微粉末を用いた

コンクリートの調合設計・施工指針・同解説，日本建築学会，

低発熱高強度コンクリート，土木学会論文集，No.544，Vol.32，

128-144，（2001）

187-203，(1996)

4) 田澤栄一，宮澤伸吾：セメント系材料の自己収縮に及ぼす結13) 坂井悦郎，井元晴丈，大門正機：高炉セメント硬化体の相合材および配合の影響，土木学会論文集，No.502，Vol.25，

組成と強度発現性，コンクリート工学年次論文集，Vol.26，

43-52，(1994)

No.1，135-140，(2004)

5) 原田克己，松下博通，後藤貴弘：水和熱を考慮した高炉セメ

14) 豊村恵理，伊代田岳史：高炉スラグ微粉末の置換率が炭酸ントコンクリートの自己収縮ひずみ特性，コンクリート工学

化メカニズムにおよぼす影響，第 40 回土木学会関東支部技論文集，Vol.14，No.1，23-33，(2003)

術研究発表会，(2012)6) 須網功二，大友健，山上正敏：底面を拘束されたスラブにお15) 二戸信和，大澤友宏，鯉渕清，宮澤伸吾：高炉セメントのける自己収縮によるひび割れ発生現象の解明，コンクリート

発熱と収縮に及ぼすスラグ粉末度と SO3 の影響，コンクリー

工学年次論文集，Vol.25，No.2，685-690，(2003)

ト工学年次論文集，Vol.30，No.2，(2008)

7) 大澤友宏，宮澤伸吾，廣島明男，鯉渕清：高炉セメントの自16) 二戸信和，羽原俊祐，鯉渕清，坂井悦郎：断熱温度上昇に己収縮および断熱温度上昇量に関する実験的検討，土木学会

及ぼす高炉セメントの水和反応の温度依存性の影響，コンク

第 59 回年次学術講演会，5-296，(2004)

リート工学年次論文集，Vol.32，No.1，59-64，(2010)8) 國府勝郎ほか：高炉スラグ微粉末を用いたコンクリートの断17) 渡辺宏，堺孝司，若杉伸一：断熱温度上昇下における高炉

熱温度上昇と水和性状に関する研究，土木学会論文集，Vol.9，

スラグ高微粉末を用いたコンクリートの強度と微細構造，コ

No.396，39-48，(1988)

ンクリート年次論文集，Vol.17，No.1，1049-1054，(1995)

9) 寺野宜成，小田部裕一，安本礼持，鈴木康範：収縮低減剤の

18) 中井泉編：蛍光Ｘ線分析の実際，朝倉書店，182-185，(2005)

使および石膏量が自己収縮ひずみに及ぼす影響について，コ19) 十河茂幸，河野宏隆編著：コンクリートのひび割れがわか

ンクリート工学年次論文報告集，Vol.21，No.2，727-732，(1999)

る本，コンクリート新聞社，(2003)
20) 十河茂幸，河野宏隆編著：コンクリート総覧技術書院，58-70，

10) 吉葉光雄，山畑雅之，長英昭，横室隆，宮澤祐介，磯文夫：
栃木県産業技術センター研究報告，No.11，67-71，(2014)－ 57 －(1998)

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

共同研究結城紬染色生地見本帳の作成と新製品開発（第２報）
吉葉

光雄*

小嶋

一夫*

太田

仁美*

渡辺

智 文 **

Making Sample Books of Yuki-tsumugi Fabrics with Various Colors,
and New Product Development (2nd Report)
Mitsuo YOSHIBA, Kazuo KOJIMA, Hitomi OTA and Toshinori WATANABE
結 城 紬 の 色 に 対 す る 需 要 動 向 に 応 え る た め ，代 表 的 な 色 彩 に つ い て 色 無 地 の 染 色 生 地
見本帳を作成し，見本帳を活用した新製品開発を目標とした。今年度は見本帳の作成，
緯 糸 に 彩 度 ，明 度 で バ リ エ ー シ ョ ン を 持 た せ た 生 地 の 測 色 結 果 の 分 析 ，２ 反 目 と な る 見
本生地の製織準備までを実施した。
Key Words： 結 城 紬 ， 見 本 帳 ， 染 色 ， 流 行 色 ， シ ミ ュ レ ー シ ョ ン

１

はじめに

２

結城紬は栃木県，茨城県で生産され，地域の伝統

２．１

研究の方法

見本帳作成方法の検討的な産業として現在も地機で製織が行われている。

生地見本帳作成にあたっては，色数を多く確保す従来は，藍をはじめとする落ち着いた色合いが多るため，効率的な作業が求められることから，以下

かったが，近年は自分の色彩イメージに強いこだわの点について注意し作成を行った。

りを持つ消費者が増える傾向があり，結城紬以外に

１）見やすさ，取り扱いのしやすさに着目し，見本も比較的明るく，表現豊かな色彩を持つ着物が多く

帳はＡ４縦とする。

見られる。このような市場の変化を受け，流通・小２）通常はシート単体で完結するように経糸，緯糸売筋や産地を直接訪れる消費者等から結城紬生地のを 1 枚のシートに貼付するが，経糸は共通するシー色見本の整備を求める必要性が増してきている。

トが多いため，枠付きの別シートとし，作業量を少本研究では顧客の需要動向に的確に対応するため，代表的な色彩について色無地の生地見本帳を作成す

なくする。
２．２

製織した生地の測色と評価ることによって，色彩のニーズを確実にとらえ，ひ生地見本を作成する上で，糸の彩度，明度が製織

いては結城紬産地の需要の拡大につなげることを目した生地にどのように反映するかは，糸を染色する的とした。

際に重要なポイントとなる。このため，前年度トヨシ マ ビ ジ ネ ス シ ス テ ム 社 製 4DBOX PLANS に よ る 製 織シミュレーションの結果を参照し，赤を基本色として 彩 度 ，明 度 の バ リ エ ー シ ョ ン を 持 っ た 糸 を 染 色 し ，緯糸として使用して生地を製織した。
得られた見本生地や染色した糸は，ミノルタ製分
光 測 色 計 CM-1000 で 測 色 を 行 い ， 結 果 を グ ラ フ 化 して評価を行った。

図１

見本帳生地の製織*

栃木県産業技術センター

**

渡辺染色店

紬織物技術支援センター
図２－ 58 －

製織した生地の測色栃木県産業技術センター

２．３

二反目の見本帳用生地の検討

３．２

研究報告

No.13（2016）

緯糸の彩度，明度バリエーション

前年度から今年度にかけて作成した１反目の製織

経糸に原色である赤，黄，青色を，緯糸は赤色に

状況をもとに，２反目の見本帳生地製織条件及び染ついて明度，彩度のバリエーションを持った糸（図料について検討を行った。また，染料については，

４）で製織した部分について測色した結果は，図５

色相の豊かさや，彩度に優れる染料も候補とし，試のとおりであった。測色については，生地であるこ染を行って検討することとした。

と か ら 視 野 角 を １ ０ °と し ， Ｌ ａ ｂ 表 色 系 で １ か 所
３回測定の設定とした。また，生地の部分は手つむ

３
３．１

結果及び考察

見本帳の作成ぎ糸の特性上糸の太さに斑があることから，３か所測定した結果の平均をとった。

２．１で示した条件を満たすために見本帳のパターンを検討した結果，図３の通り作成した。図３のア）には経糸のみを貼付し，生地見本に重ねて使用する。同イ）には緯糸と製織した生地を貼付している。この２枚を重ねることで生地見本として完成する。この方法により，経糸は１枚だけ作成すればよく，作業の工数を抑制することができた。

図４

ア）経糸

緯糸の明度，彩度バリエーションイ）緯糸と生地ア）ａ－ｂプロットウ）重ね合わせたところ

図３イ）Ｌ－ｂプロット

製織生地見本帳

図５－ 59 －

製織した生地の測色結果

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

測色の結果を図５にプロットした。図５ア）から

４

おわりに

は製織した生地の色が確認できるが，測定値は左右結城紬生地見本帳作成を目的として種々の検討をにほぼ線状に並んでおり，緯糸の彩度の違いが生地行い，昨年度から染色，製織を行った生地を用いてに 反 映 し て い る こ と が こ の 図 か ら 読 み 取 れ る 。ま た ，

以下の通り見本帳作成や測色結果の分析等を行った。

図５イ）は縦軸に明るさ，横軸にｂ（緑－赤）をプ（ 1）効 率 的 に 作 成 で き る 見 本 帳 の 規 格 を 決 定 し ，昨ロットした。赤の彩度，明度バリエーションで作成

年度製織した生地で見本帳を作成した。

した緯糸は，三角形状に並んでおり，染色がほぼ目（ 2）赤 を 基 本 に 彩 度 と 明 度 変 化 さ せ た 緯 糸 を 用 い て

的通り行われたことを示している。また，製織後も製 織 し た 。こ の 生 地 を 測 色 し た 結 果 を グ ラ フ 化

三角形状の分布が確認できた。

し ，生 地 に ど の 程 度 反 映 す る か が 明 ら か と な っ

３．３

た。

二反目の見本帳用生地

１反目の製織では，基本的な色での生地見本作成（ 3）２ 反 目 の 色 見 本 生 地 製 織 に 向 け た 検 討 を 行 っ た 。

を目的としたため，原色のほか緑，茶，紫等を選択

１ 反 目 の 結 果 を 踏 ま え ，経 糸 色 数 や 染 料 に つ いした。２反目は１反目と重複せず，また色相，彩度て決定し，製織に向け作業を進めた。

で範囲の広い色を確保するため，酸性染料を選択肢として試染を行い，経糸の候補とした（図６）。

今年度実際に製織した生地の測色による結果等をまた，製織条件についても再検討を行った。１反

参考にし，来年度引き続き見本帳の作成を進めるほ

目 は 幅 広 の 筬 （ 図 ７ ） を 使 用 し ， ４ ２ cm間 に ７ 色 のか，耐光堅ろう度の確認，生地見本で得られた色彩

経糸を確保したが，見本帳の規格や今後予定していを活用した製品作りの可能性について検討を行う予る堅ろう度等も考慮し，筬は変更せずに経糸を８色定である。

とし，色見本の充実を図ることとした。
参考文献
1) 足 立 達 雄 ほ か ： "色 染 化 学 ２ "2) 金 子 優 ，嶋 田 和 正 ，永 田 順 子 ，佐 々 木 和 也 ，清 水
裕 子 ： "栃 木 県 産 業 技 術 セ ン タ ー 研 究 報 告 No.7"，
63-65， (2010)3) 吉 葉 光 雄 ， 小 嶋 一 夫 ， 太 田 仁 美 ， 渡 辺 智 文 ： "栃図６

二反目経糸の染色

木 県 産 業 技 術 セ ン タ ー 研 究 報 告 No.12"， 49-52，(2015)
4) MdN編 集 部："キ ー カ ラ ー で 探 せ る 配 色 見 本 ハ ン ド
ブ ッ ク "，エ ム デ ィ エ ヌ コ ー ポ レ ー シ ョ ン ，(2013)

図７

通常の筬と幅広の筬－ 60 －

Ⅲ 受託研究

Contract Research栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

受託研究

酸化セリウムナノ粒子分散ゼオライトの樹脂用紫外線吸収材への応用
大森 和宏*

山畑 雅之*

松本 泰治**

加藤 栄**

Application of Zeolite Dispersed Ceria Nanoparticles as an Ultraviolet Absorber for
Plastics
Kazuhiro OMORI, Masayuki YAMAHATA, Taiji Matsumoto and Sakae KATO
酸化セリウムナノ粒子分散ゼオライトをフィラーとしたポリカーボネート（PC）に対する混練条件と，得られたコンパウンドの物性及び紫外線吸収特性を検討した。フィラー表面処理におけるシランカップ
リング剤（トリエトキシ(3-グリシジルオキシプロピル)シラン）濃度が増加するに従い，フィラーの分散性は良くなった。PC/酸化セリウムナノ粒子分散ゼオライトコンパウンドの引張弾性率はフィラー添加量の増加に伴い若干上昇し，シャルピー衝撃強さは低下した。UV-Vis 測定により，少量のフィラー添加により良好な紫外線吸収効果が得られることを確認した。
Key words: 酸化セリウムナノ粒子分散ゼオライト，紫外線吸収材，ポリカーボネート ，コンパウンド

１ はじめにから，樹脂材料等のフィラーとして用いた場合，表面において

今日，プラスチックは様々な用途で利用されており，自動車

酸化セリウムの光触媒活性がないこと，及び酸化セリウムナノ

等屋外で使用される分野においても軽量化等の目的で積極的に粒子の凝集がないことが特徴として挙げられる。加えて，本材利用されてきた。例えばガラス代替としてのポリカーボネート

料は，樹脂材料と屈折率が近いことから，PC 等の透明性を阻害（PC）化は，その部品の重量の約 50 %を削減できることから，しない無機系紫外線吸収材として応用可能であると考えられる。

ヘッドライトやクォーターウインドウ等で採用されており，そ本研究では，酸化セリウムナノ粒子分散ゼオライトの樹脂用の範囲を広げている。一方，PC は太陽光に含まれる紫外線によ

紫外線吸収材への応用を目指し，PC に対する混練条件の検討及り劣化し，色調の黄変曇化が起こることが知られている。このびコンパウンドの物性等を調査したので報告する。

ため，このような環境下で用いられる PC 製品には，紫外線吸収
２ 研究の方法

材を添加する・紫外線遮蔽コーティングを施すなど，紫外線対２．１ 材料策が施されている。
樹脂に添加する主な紫外線吸収材として，ベンゾトリアゾー

フィラーとして用いた酸化セリウムナノ粒子分散ゼオライト

ル系などの有機系材料と，酸化チタン，酸化亜鉛，酸化セリウ

は，吉澤石灰工業(株)より提供されたものを用いた。本試料のムなどの無機系材料が用いられている。有機系材料においては，Ce イオン交換率は 64.2 %であり，酸化セリウムナノ粒子の生成

分子設計により樹脂への分散性が良好な紫外線吸収材が開発さ及び母材のゼオライトの非晶質化は X 線回折により確認した。

れているが，無機系材料と比較して耐久性が低く，ブリードア

ポリカーボネート（PC）は，ノバレックス 7025R（三菱エンジニ

ウト等により効果が低下するといった課題が存在する。一方，

アリングプラスチック(株)）を用いた。表面処理剤は，シラン

無機系材料は，耐久性は高いが可視光透過率が低下するため，

カップリング剤（3-アミノプロピルトリエトキシシラン（APTES）

透明性の高い樹脂には適用できない課題がある。また，酸化チ及びトリエトキシ(3-グリシジルオキシプロピル)シラン（GPTES）

タンや酸化亜鉛は，光触媒活性があるため，樹脂を分解する問（東京化成工業(株)））を用い，反応時の溶媒には特級エタノー

題がある。

ル（関東化学(株)）を用いた。

一方，吉澤石灰工業(株)及び栃木県産業技術センターは，酸なお，混錬条件の検討においては，リンデ Q ゼオライト（K化セリウムナノ粒子をゼオライト内部に分散させた材料を開発

型）を 900 ℃で加熱し，非晶質化した試料（以下，リンデ Q 加

1)

しており，その化粧品への応用を検討してきた 。この材料は，

熱試料）を用いた。

酸化セリウムナノ粒子がゼオライトの内部に存在していること

２．２ フィラーの表面処理*

ビーカーにフィラーとしてリンデ Q 加熱試料又は酸化セリウ

栃木県産業技術センター 県南技術支援センター** 栃木県産業技術センター 材料技術部

ムナノ粒子分散ゼオライトを採取し，エタノール/水＝9/1 の溶－ 61 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

媒及び表面処理剤（APTES 又は GPTES）を加え，30 分間撹拌し記分光光度計（V-670（日本分光(株)））で，積分球を用いて拡た。混合比率は，フィラー : 溶媒 : 表面処理剤＝100 g : 400

散透過スペクトルを測定した。

ml : 1 ～ 10 g とした。その後，吸引ろ過によりフィラーを回収し，120 ℃で 1 時間加熱後，150μm メッシュのふるいを通した。

３ 結果及び考察
３．１ PC/リンデ Q 加熱試料の混練

２．３ 混練図１に各条件で作製した PC/リンデ Q 加熱試料（1 mass%）ペ

120 ℃で5 時間以上予備乾燥した PC 及びフィラーをドライブ

レットの実体顕微鏡像を示す。全ての試料において，白色の塊

レンドし，複合材料試験機(TP-30（サーモ・プラスティックスが観察された（図中赤丸）。これは，リンデ Q 加熱試料の凝集体工業(株)）)を用いて混練した。混練温度は 260 ℃とした。押しであると考えられる。この凝集体は，表面処理剤の有無，種類

出されたストランドは，水冷し，ペレタイザによりペレット化

及びスクリュー回転数を変化させた場合では同様に観察されてした。作製したペレット中のフィラーの分散性の評価は，実体おり（図１(a)～(e)），分散性に大きな変化はなかった。これら

顕微鏡（SZH-151，オリンパス(株)）により試料を観察することのペレットは若干白濁しており，フィラーが十分に分散していで行った。

ないことが推察される。特に，APTES による表面処理したリンデ

なお，フィラーを添加せず混練工程を経たペレットも作製しQ 加熱試料を用いた場合，ペレットが顕著に白濁した（図１(c)）。

た。以下，これをブランクと記載する。

加えて，水冷したストランドが破断する現象が見られた。これ

２．４ 射出成形及び試験片作製

は，APTES が末端アミノ基によりアルカリ性を示すため，予備乾120 ℃で 5 時間以上予備乾燥したバージン材，ブランク，PC/
酸化セリウムナノ粒子分散ゼオライトコンパウンドを，次の条燥により除去しきれなかった水分によりPC が加水分解したために起こったものと考えられる。

件で射出成形し，JIS 1A 型ダンベル試験片を得た。

一方，表面処理剤（GPTES）の濃度を上げることで，上記凝集体の発生は減少し，ペレットの白濁は抑制された（図１（e）～

成形機 ： ロボショットα-100iA（ファナック(株)）(g)）
。GPTES 濃度を上げることでリンデ Q 加熱試料の表面改質が

射出温度 ： 270 ℃

進み，フィラー同士の凝集を抑制したものと思われる。

金型温度 ： 90 ℃

以上の結果を基に，PC/酸化セリウムナノ粒子分散ゼオライト

射出速度 ： 20 mm/min

コンパウンドは，表面処理剤として GPTES を用い，濃度はフィ

保圧 ： 70 MPa, 30 sec

ラーに対し 10 mass%とし，スクリュー回転速度は 100 rpm で作製した。

シャルピー衝撃試験用試験片は，ダンベル試験片から切り出

３．２ PC/酸化セリウムナノ粒子分散ゼオライトの物性

し，ノッチを入れて作製した。ノッチ先端 R は 0.25 mm とした。

表１にバージン，ブランク及び各フィラー濃度の PC/酸化セリ

なお，各試験片中のフィラー濃度を重量法により求めた結果，ウムナノ粒子分散ゼオライトコンパウンドの引張試験結果を示

それぞれ 0.15，0.42，0.82，1.8 mass%であった。

す。フィラー濃度の増加に伴い，引張弾性率は若干上昇する傾２．５ 引張試験

向が見られた。引張強さ（降伏点応力）は，フィラー濃度の違JIS K7161-1 : 2014 により，引張弾性率及び引張強さを求め

いによる影響はなかった。また，表２に各濃度で酸化セリウム

た。装置は，万能材料試験機（オートグラフ AG-M1（(株)島津製

ナノ粒子分散ゼオライトを分散させたPC のシャルピー衝撃試験作所））及び差動トランス式標線間伸び測定装置（ST50-50-25

結果を示す。シャルピー衝撃強さは，フィラー濃度の増加に伴（(株)島津製作所））を用いた。試験速度は，弾性率測定の場

い，顕著な低下傾向が見られた。一般的に，樹脂中に無機フィ合は 0.5 mm/min，引張強さ測定の場合は 10 mm/min とした。

ラーを添加することにより，引張弾性率は上昇し，衝撃強さは

２．６ シャルピー衝撃試験

低下することが知られている 2）。これは，フィラーがマトリック

JIS K7111-1 を参考に試験を行った。支持台間距離は 60 mm

ス分子の自由運動を制限することにより起こる現象であり，本とし，ハンマーのひょう量は 2 J とした。装置は，衝撃試験機

研究においても同様のメカニズムにより弾性率が向上し，シャ（DG-UB（(株)東洋精機製作所））を用いた。

ルピー衝撃強さが低下したものと思われる。一方，シャルピー

２．７ 走査型電子顕微鏡（SEM）観察

衝撃強さの低下は，少ないフィラー添加量に対して顕著に現れフィラーの樹脂中での分散状態の確認のため，シャルピー衝るものであった。そこで，この考察のため，各試料のシャルピ撃破断面を SEM 観察した。装置は，JSM-6010PLUS/LA（日本電子

ー衝撃破断面の SEM 観察を行った。結果を図２に示す。酸化セ(株)）を用いた。試料は観察前に金蒸着した。

リウムナノ粒子分散ゼオライト濃度が高くなるにつれ，観察さ２．８ 紫外線吸収測定

れるフィラーの数は増加傾向にあるが，全ての破断面においてダンベル試験片から切り出した厚さ 4 mm の試料について，自単分散したフィラーが観察されており，分散状態は良好であっ－ 62 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

たと考えられる。一方，フィラーが存在する部分においては，

表２ バージン，ブランク及び PC/酸化セリウムナノ

樹脂/フィラー界面に空間が観察された。このことにより，樹脂

粒子分散ゼオライトのシャルピー衝撃試験結果－フィラー表面の親和性が良好ではないことが伺える。この界面状態が顕著な衝撃強さ低下の一因であることが予想される。

2

シャルピー衝撃強さ（kJ/m ）
バージン

17

ブランク

17

0.15 mass%

140.42 mass%

120.82 mass%

10

1.8 mass%

9.3

図２ PC/酸化セリウムナノ粒子分散ゼオライトのシャルピー衝撃破断面の SEM 像；(a)0.15 mass% ,(b)0.42 mass%, (c)0.82 mass%, (d)1.8 mass%

図１ PC/リンデ Q 加熱試料コンパウンドの
実体顕微鏡像；(a) 表面処理なし，50 rpm, (b) GPTES(1 mass%)処理，50 rpm，(c) APTES(1 mass%)処理，50 rpm，(d) GPTES(1 mass%)処理，73 rpm，(e) GPTES(1 mass%)処理，100 rpm，(f) GPTES(5 mass%)処理，100 rpm，(g) GPTES(10 mass%)処理，100 rpm

表１ バージン，ブランク及び PC/酸化セリウムナノ
粒子分散ゼオライトの引張試験結果
引張弾性率（GPa）

引張強さ（MPa）

バージン

2.25

60.9

ブランク

2.22

60.8

0.15 mass%

2.23

60.4

0.42 mass%

2.32

60.5

0.82 mass%

2.29

60.7

1.8 mass%

2.37

60.9

図３ PC/酸化セリウムナノ粒子分散ゼオライトのUV-vis 測定結果；(a)バージン, (b)ブランク, (c)0.15 mass%,(d)0.42 mass%,(e)0.82 mass%, (f)1.8 mass%－ 63 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

３．３ PC/酸化セリウムナノ粒子分散ゼオライトの紫外線吸収

４ おわりに性

PC/酸化セリウムナノ粒子分散ゼオライトコンパウンドを作

図３に各試料の UV-vis 測定結果を示す。バージン及びブラン

製し，PC/酸化セリウムナノ粒子分散ゼオライトの物性を調べた。

クと比較し，酸化セリウムナノ粒子分散ゼオライトを添加した

混練条件の検討及び物性，紫外線吸収特性の調査から以下の結PC では，約 290～350 nm の波長域での透過率が低下しており，果を得た。

酸化セリウムナノ粒子分散ゼオライトの濃度の増加に伴いその（1）表面処理剤の種類，スクリュー回転数はリンデ Q 加熱試料

波長域は長波長側に広がっている。これは酸化セリウムナノ粒の分散性に大きな影響はなかった。GPTES 濃度の上昇につ子による紫外線吸収効果によるものと思われる。一方，PC は約

れ，分散性は改善された。

3）

290 nm の紫外線を吸収し，劣化することが知られている 。本（2）酸化セリウムナノ粒子分散ゼオライトの濃度が上昇するに結果において，バージン（図３(a)）及びブランク（図３(b)）

つれ，引張弾性率は若干上昇した。シャルピー衝撃強さはの 290 nm の紫外線透過率はバージン及びブランクで約 2 %であ顕著に低下した。

った。そこで，290 nm 付近の酸化セリウムナノ粒子分散ゼオラ（3）PC 中において酸化セリウムナノ粒子分散ゼオライトは単分

イトによる紫外線吸収特性を評価するため，ブランクをバックグラウンドとして PC/酸化セリウムナノ粒子分散ゼオライトの散していることが SEM 観察により示された。
（4）少量の添加で良好な紫外線吸収効果が得られることが示さ

UV-vis 測定を行った。結果を図４に示す。全ての試料においてれた。

300 ～ 340 nm に紫外線吸収の極大を持つ結果となった。290 nm
謝における紫外線透過率は，酸化セリウムナノ粒子分散ゼオライ

本事業で用いた測定機の一部は公益財団法人 JKA の補助事業

トが 0.15 mass%で 21 %，0.24 mass%で 11%，0.82 mass%で 5 %，1.8 mass%で 2%程度であり，少量の添加で良好な紫外線吸収効果

辞によるものであり，競輪マークを記して謝意を表する。

が得られることが示された。
参考文献
1) 加藤栄，井田恵司，川島健，岡村達也，中茎貴仁： "栃木県
（2013）
産業技術センター研究報告 No.10"，30，
2) 山田展也，荻原隆，小形信男，斎藤修一，上山明彦，前川知一，雲竜常宗： "成形加工"，20（5），307-314，（2008），303-309，（1966）
3) 田原省吾： "高分子化学"，23（253）

本研究は，公益財団法人 JKA 補助事業により整備した機器を活用して実施しました。

図４ ブランクをバックグラウンドとした PC/酸化セリウム
ナノ粒子分散ゼオライトの UV-vis 測定結果；(a)0.15 mass%, (b)0.42 mass%, (c)0.82 mass%, (d)1.8 mass%－ 64 －

Ⅳ 重点研究

Selected Research栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

重点研究

光計測技術を応用したひずみ計測システムの開発（第２報）
清水 暁*

植竹 大輔*Development of a Strain Measuring System Applying Optical Method（2nd Report）
Akira SHIMIZU and Daisuke UETAKE
モードロック方式のパルスレーザーとFBGセンサを用い，5kHzまでの動ひずみを計測可能なシステ
ムの開発を行った。 試 作 し た シ ス テ ム を 用 い ，片 持 ち 梁 の 動 ひ ず み 測 定 を 行 い ，振 動 数 と ひ
ず み 量 検 出 の 実 験 を 行 っ た 。測 定 結 果 と 有 限 要 素 法 に よ る シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果 の 比 較 を 行い，開発したシステムが動ひずみを検出していることを確認した。
Key Words : FBG，フ ァ イ バ レ ー ザ ー ，ANDiレ ー ザ ー ，動 ひ ず み 計 測

１

はじめに

開発を行ってきた。これまでに，モードロック方式のパ

近年，トンネル，橋梁，プラント等の安全性を確保するた

ルスレーザーの試作と FBG センサからの出力確認等をめ，その構造体の静ひずみを監視する手法が用いられている。

行っている 2)。

その設置環境から電気抵抗式ひずみゲージの使用は難しい

本研究では， 前報に続き，光検出系ならびに信号処理シため，静ひずみの監視用センサとして，耐熱性，耐久性，耐ステムについて検討し，5kHz までの動ひずみを計測するシス

電磁ノイズ性，信号線の長距離性に優れる光ファイバセンサ

テムの開発を目標とする。

の一つであるレーザー光のブラッグ反射を利用した，FBG（Fiber Bragg Grating）センサが利用されている。
FBG センサは，光ファイバ中に周期的に屈折率の異なる回折格子を形成した構造であるため，容易に構造体に埋め込む
図１

ことができる（図１）。

FBG センサ

この利点に着目し，航空宇宙分野等において，CFRP 構造体
２ 研究の方法の中に FBG センサを埋め込み，航空機やロケット等のひずみ
２．１（動ひずみ）をリアルタイムに計測し，その構造体に作用す
1)

る振動・衝撃等を計測することが検討されている 。

ひずみ計測システムの概要

図２に本研究で試作した動ひずみ計測システムの概このように，レーザーを応用した計測の用途が拡がる一方要を示す。本計測システムは，FBG センサを駆動するで，光ファイバ技術の進展によりファイバレーザーが開発さためのレーザー光源，振動を検出する FBG センサ，FBG

れ，加工や通信用途で普及している。ファイバレーザーは，センサからの信号を電気信号に変換する検出部から構増幅媒質に希土類を添加したファイバを用いたレーザーで成されている。

あり，小型軽量，低価格 ，ビーム品質に優れているといった特徴を持っている。

本計測システムでは，FBG センサをひずみ計測のために用いている。FBG センサは，ある帯域の波長の光

この技術を活用することで，これまで比較的高価であったを反射する性質を持っており，このセンサにひずみが光センシング技術が，普及していく可能性があり，光センシ

加わると，ひずみ量に応じて反射波長が変化する。

ングを活用した製品開発に取り組む県内中小企業も増えて

FBG センサにより反射されたレーザー光を，サーキいくことが予想される。そのため当センターにおいても光学ュレータを介して，フォトダイオードに入射する。フ

技術と光センシング技術を蓄積する必要がある。

ォトダイオードの電流変化を電圧に変換し，増幅した

このような考えの下，我々は FBG センサを用いた振動計測技術に着目し，光計測技術を応用したひずみ計測システムの後，AD 変換することでマイコンボードに電圧値を取り込む。

* 栃木県産業技術センター 機械電子技術部－ 65 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

マイコンボードに取り込まれた電圧データを FFT 解

DSP マイコンボードには，エイリアシング防止のため，

析により周波数領域のデータに変換することで，FBG

遮断周波数 20kHz のローパスフィルタが備えられていセンサに加わったひずみの分析を行う。

る。本研究では，5kHz までのひずみ信号の検出を目標

FBG センサは，反射波長 1035nm，半値幅 0.5nm(O/Eとしているため，81 タップの FIR フィルタにより遮断Land 社 OEFBG-100)を使用した。

周波数 6kHz のローパスフィルタ処理を行った。さらに
1/4 デシメーション処理を行い，サンプリングレートを
12kHz に落とした後，FFT 解析を行った。
Max
5kHz Input

PC
アナログLPフィルタ< 24kHz

図２
２．２48kspsオーバー
サンプリング
TMS320C(Texas Instruments)
・FIRフィルタ処理：LPフィルタ 6kHz
・ダウンサンプリング処理 48kHz→12kHz
・FFT処理ひずみ計測システム 概要

レーザー光源

図４

信号処理部

レーザー光源は，前報で試作した正常分散モード同期
レーザー(All Nomal Dispersion Laser:ANDi レーザー)を使３用しており，中心波長 1030nm，帯域 15nm，最大出力 80mW

３．１

結果および考察FBGセンサの特性測定である。このレーザーは，モードロックによりパルス

FBGセンサに加えられるひずみと出力される電圧信光が生成される。パルス周期は 30.3ns であり，33MHz で動号の相関を得るために，図３に示す測定系により実験作している。

を行った。ファイバの軸に沿って，FBG1を伸ばした時

２．３のピーク波長の変化とフォトダイオードの出力の変化検出部を調べた。図５に示すように，ピーク波長はFBGの伸び

じて波長が変化している。この波長変化を検出するたと比例関係にあり，その傾きからピーク波長の変化率

め，図３に示すように 2 つの FBG センサを用いた。FBGは1.26pm/μεであることがわかった。

センサ 1 はひずみ検出用のセンサとして用い，FBG セ

0.4

1400

ンサ 1 から 0.5nm ほどピーク波長をシフトさせた FBG

0.35

1200

0.3

1000

電圧変化[V]

センサ 2 をフィルタとして用いた。これにより，波長の変化を光量に変換することができる。

0.25

800

0.2

600

0.15
0.1

400

0.05

200

0
0

200

図５
図３

３．２

検出系概要

400 600
変位量 [um]800

波長シフト[pm]FBG センサからの反射光は，加えられたひずみに応

電圧変化
波長シフト

0
1000

変位量と波長シフトの相関加振実験

図６，７に示すように，小型振動試験装置
２．４(514-A:EMIC社 製 )に 200mm×200mm×0.5mmの 片 持 ち 梁

信号処理

FBG センサ 2 からの光は，InGaAs フォトダイオードにを取り付け，加振試験を行った。比較するために，FBG入射され，電流信号に出力される。図４に示すように，

センサ，電気式ひずみゲージ，加速度センサを片持ち

フォトダイオードからの信号を，I-V 変換回路により，梁に取り付けた。

電圧信号に変換した後，オペアンプにより 100 倍に増幅

1kHz～5kHz(1kHzステッ プ)の 振動を 与えた時のFBGしている。増幅された電圧信号を DSP マイコンボード

センサからの出力を図８に，ピーク周波数を表１に示(TMS320C6703DSK:Texas Instruments 社 製 ) に よ り ，す。加振周波数と測定結果はよく一致しており，FBG

48kHz のレートでサンプリングし，FFT 解析を行った結センサが精度良く振動の周波数を検出していることが果をパソコンに表示している。

わかる。

－ 66 －

栃木県産業技術センター

次に，加振周波数を1kHzに固定し，加速度を10ms -2

研究報告

No.13（2016）

加速度センサ vs ひずみセンサ(ゲージ・光)から40ms -2 まで変化させ測定を行った。結果を図９にひずみ量 [με]示す。FBGセンサとひずみゲージから得られた電圧信号
をひずみ量に換算したところ，FBGセンサとひずみゲー
ジの出力は，ほぼ同等であることがわかった。
また， 2次元有限要素法によるシミュレーションを

3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0

FBG
ひずみゲージ
シミュレーション

0

行い，実験結果との比較を試みた。片持ち梁を1.25mm

10

20

30

40

50

加速度センサ[m/s^2]

×1.25mm×0.25mmの要素に分割したシミュレーション
図９

モデルに1kHzの振動を加えた状況について計算を行っ

加速度とひずみ量の関係

た。FBGセンサ部分に対応する要素ごとの伸縮を積分し４た後，FFT解析により1kHzの成分を抽出することでひずおわりにみ量を算出した。図９に示すように，シミュレーショFBG センサを用いた動ひずみ計測システムを構築す

ン結果と実験結果はよく一致しており，開発したシス

るため，レーザー光源，検出回路，信号処理プログラ

テムにより動ひずみが検出可能であることがわかった。

ム等を試作した。片持ち梁による加振実験の結果とシミュレーションの結果を比較し，FBG センサが動ひず

ひずみゲージみを検出していることを確認した。
検出系

本研究では，基礎検討としてシミュレーションとのレーザー光源FBG センサ

比較が容易な片持ち梁による実験を行ったが，今後は，
加速度センサ

本研究で作製したシステムを様々な構造の供試体の振動測定に適用して行きたい。

速度

図６

測定系

図７

片持ち梁実験
謝

本研究を実施するにあたって貴重なアドバイスをいただ

加振実験1～5kHz

Intensity[dB]

辞いた宇都宮大学工学研究科学際先端システム学専攻 東口

30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
-60

1kHz

2kHz

3kHz

4kHz

武史准教授に深く感謝申し上げます。

5kHz

参考文献
1) 中島富男，荒川敬弘："FBG センサによる高速動ひずみ計測技術について"，IIC Review，No.38，37-44
0

1000

2000

3000
4000
Frequency[Hz]

図８加振実験(1kHz～5kHz)

表１

ピーク周波数の比較

加振周波数[Hz]
1000
2000
3000
4000
5000

5000

(2007)

6000

2) 清水暁，植竹大輔："栃木県産業技術センター研究報
告 No.12"， 65-69，(2015)

実測値[Hz]999.02
2000.24
3000.00
3999.39
5000.24－ 67 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

重点研究

プレス加工における面内引張応力援用による小径穴抜き加工に関する研究（第２報）
阿部 雅*

柳田 治美*

大橋 利仙**High Aspect Ratio Punching Under In-plane Tension (2nd Report)
Masashi ABE, Hiromi YANAGITA and Toshinori OHASHI
プレス加工によるアスペクト比が１を超えるような小径穴抜き加工は，摩擦力や剛性の問題から，早期にパンチが折損する可能性が高い。そこで本研究では，プレス加工機の上下運動を利用して被加工材の穴加工
位置周囲に面内引張応力を負荷し，加工時の摩擦力を低減させた状態で穴抜き加工を行うことによってパンチの長寿命化を図る。本報ではまず面内引張応力を被加工材へ負荷する機構部分の模擬体を作製し，シミュレーションで求めた条件で被加工材に面内引張応力を負荷した状態を模擬体によって再現させ，直角３軸型のひずみゲージによるロゼット解析を行ったところ，概ねシミュレーション通りの結果が得られることを確認した。次に応力負荷機構を組み込んだ金型を開発・作製し，板厚 0.8mm の被加工材に直径 0.5mm のパンチによる穴抜き加工に成功した。
Key words:

プレス加工，小径穴抜き加工，面内引張応力，応力シミュレーション

１ はじめに擬体を作製し，シミュレーションによって得られた応力負荷条

プレス加工を用いて作られる製品の小型化・軽量化の中で，件で，実際に被加工材をたわませた場合の穴加工位置付近の応

電子機器周辺部品等では被加工材の板厚より細く且つ直径が力状態を確認した後，応力負荷機構を組み込んだ金型を開発・

0.5mm 以下のパンチ（穴抜き用雄型）を用いた小径穴抜き加工の作製した。

ニーズがある。しかし小径穴抜き加工では，板厚より太いパン

２ 研究の方法

チによる穴抜き加工に比べ，パンチ側面と被加工材との間の摩２．１ 面内引張応力負荷機構の模擬体

擦力が増加するため，パンチが座屈・摩耗しやすいことや，小面内引張応力負荷機構を用いた小径穴抜きの方法は，①被加径で低剛性なパンチは，ダイ（穴抜き用雌型）とのクリアラン

工材の把持②面内引張応力の負荷③パンチによる穴抜き④パン

ス・同軸度の狂い等によって，早期に折損しやすいことが課題

チの引き抜き⑤面内引張応力の除荷，の５つの工程から成る。

となっている。

パンチが被加工材に接触する直前の穴加工位置付近の応力状

そこで本研究では，被加工材の穴加工位置周囲に穴を広げる態を再現するために，模擬体は前述の①と②の機構を有した形

ような応力（以下，面内引張応力という。）を負荷させた状態状で，ダイの直径を 10mm とした。

で穴抜き加工を行うことで，加工時の摩擦力を低減させ，パン

２．２ 被加工材

チの長寿命化を図る。

被加工材は，表１に示す物性値・機械的性質・化学成分を有1)

平成 26 年度の第１報 では，面内引張応力の負荷条件をシミする板厚 0.8mm の冷間圧延鋼板 SPCC を用いた。

ュレーションによって検討した。その結果，板厚 0.8mm の被加

表１ 被加工材

工材の全周を 100mm 四方のロの字型に固定し，中央を穴加工位

物性値

機械的性質

置と想定した時，被加工材の弾性域内で面内引張応力を負荷す

ヤング率

ポアソン比

引張強さ

耐力

るには，ダイが直径 5mm の場合は約 0.40mm まで，直径 10mm の200GPa0.3303MPa169MPa場合は約0.50mm まで穴加工位置をたわませられることがわかっ
た。

化学成分

本報では，面内引張応力を被加工材へ負荷する機構部分の模*

栃木県産業技術センター 県南技術支援センター** 栃木県産業技術センター 機械電子技術部－ 68 －

C

Mn

P

S

0.005

0.20

0.024

0.009

栃木県産業技術センター

２．３ 応力状態の確認���� ＝

２．３．１ 面内引張応力の負荷条件
面内引張応力の負荷条件は，前述した既報 1)のシミュレーシ

研究報告No.13（2016）���� � ����� � �� �
2�� � � � �� �� � ���2���� � �� �� � ��� � �� �� ��

ョンで想定した負荷条件と同様とし，万能材料試験機（㈱島津…(2)

製作所 AG-M1）を用いて被加工材の穴加工位置を 0.5mm までたわ

２．３．４ 被加工材の残留変形の測定方法

ませた。

応力負荷前後の被加工材の残留変形測定には，表面粗さ測定

２．３．２ ひずみ測定
ひずみゲージは，穴加工位置（以下，測定点）の主応力を求機（㈱ミツトヨ SV-C624）を用いた。ダイ接触側に対し，評価長めるため，図１に示すような３枚のゲージを 45°刻みで重ねてさ 50mm でゲージ a と同方向へ，中央がひずみ測定点となるよう配置した直角３軸型ロゼットゲージ（㈱昭和測器

測定した。

N32-FA-1-120-11-VS3）を用いた。貼付位置及び方向を図２に示
３ 結果及び考察

す。データ収集には，動ひずみ計測システム（㈱キーエンス
３．１ 模擬体作製

NR-500 及び NR-ST04）を用いた。

図３に作製した模擬体の概略図を示す。被加工材がダイに接触するまでに，ばねの反力によって被加工材が把持された状態となるよう，初期配置では被加工材がダイから浮いた状態となcる構造とした。また，クッションプレートガイドに，クッショ
ンプレートの下死点位置を律する段差を設けた。

ba

クッションプレートガイド

被加工材

上側押さえ

図１ 直角３軸型ロゼットゲージ概略図

c
a

クッション

ダイ

ばね

プレート

b

図３ 模擬体概略図
３．２ たわみ付与時の応力状態
図２ ひずみゲージ貼付位置及び方向

被加工材がダイに接触したところをたわみ量 0mm とし，たわみ量が 0.5mm に達するまでのひずみの変化を図４に示す。ひず２．３．３ ロゼット解析による主応力の算出

みの増加は，たわみ量に対して直線的に比例している。つまり

図１の a でのひずみを�� ，b・c も同様に�� ・�� とした時，測被加工材のひずみの増加は，クッションプレートの下死点位置

定点における最大主応力���� 及び最小主応力���� は，ロゼットに比例している。

のヤング率，νは被加工材のポアソン比である。

�� =632uST，�� =490uST であった。ロゼット解析を行ったところ，

2)

式中のＥは被加工材
解析 により以下の式(1)(2)で求められる。

���� ＝

図４から，たわみ量 0.5mm 時のひずみは�� =651uST ，最大主応力���� は 179MPa，最小主応力���� は 147MPa となった。

���� � ����� � �� �
2�� � � � �

最大・最小いずれの値も正の値であることから，穴加工位置付

� �� � ���2���� � �� �� � ��� � �� �� ��

近はいずれの方向も引張応力が負荷された状態であることがわかる。また，シミュレーションで求めたたわみ量 0.5mm 時の最…(1)大主応力は 189MPa であった。

－ 69 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

図４ たわみ量とひずみの変化
図６ 面内引張応力負荷機構搭載金型
概ねシミュレーション通りの結果であるが，実際の最大主応力の方が若干低くなった原因は，シミュレーションでは被加工材

４ おわりにの四方が完全に固定された状態であるが，実際にはがたつきや

面内引張応力負荷機構の模擬体によって，シミュレーション

滑り等が発生したためであると考えられる。

で得られた応力負荷条件を検討したところ，概ね妥当な条件で３．３ 応力除荷後の被加工材あることが確認できた。この条件を元に，面内引張応力負荷機

たわみを付与した時の最大主応力は被加工材の耐力を約 6%超えている。残留変形を測定すると，応力負荷前は約 3um，応力除構を組み込んだ金型を開発・作製し，板厚 0.8mm の被加工材に直径 0.5mm のパンチによる穴抜き加工に成功した。

荷後は約 5um たわんでいた。測定時の誤差及び実際の穴抜き加

引き続いて，本研究で開発した金型により小径穴抜き加工を工では加工の影響によるバリ等の歪み・たわみの発生が予想さ行い，パンチ寿命に対する面内引張応力の有効性について検討れるため，当該残留変形の穴抜き加工に対する影響はほぼ無いを行う。

と考えられる。
３．４ 面内引張応力負荷機構搭載金型の作製

謝辞

シミュレーションによって得られた応力負荷条件は概ね妥当

本研究を遂行するにあたり，多大なる御助言御協力をいただ

であることが確認できたため，次に面内引張応力負荷機構を組いた㈱川崎製作所家富貴志氏，㈲栄精工坂本重幸氏に深く感謝

み込んだ金型の開発・作製を行った。金型の概略図を図５，完します。また，本研究は（公財）天田財団の支援を受けて実施成した金型を図６に示す。完成した金型で板厚 0.8mm の被加工材

いたしました。ここに記して深謝いたします。

に直径 0.5mm のパンチによる穴抜き加工を試したところ，貫通穴を抜くことに成功した。

参考文献
1) 阿部雅，柳田治美，大橋利仙："栃木県産業技術センター研究

上側押さえガイドパンチ

報告No.12"，77-79，(2015)
2）㈱共和電業：ひずみゲージ技術メモ"主応力の大きさと方向の求め方（ロゼット解析）"
http://www.kyowa-ei.com/jpn/technical/notes/technical_note/rosette_analysis.html

ストリッパ

図５ 面内引張応力負荷機構搭載金型概略図－ 70 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

重点研究

液中レーザ局所改質法の開発とそれを用いた医療用ステンレス鋼の摩擦摩耗特性の向上
江面

篤志*

渡部

篤彦*

Improvement of Tribology Characteristic of Stainless Steel as Biomaterial
by Laser-Induced Wet Treatment
Atsushi EZURA and Atsuhiko WATANABE
医療用ステンレス鋼の摩擦摩耗特性向上のため，レーザを用いた新しい表面改質手法である液中レーザ局所改質法の開発を行った。Al(NO3)3 溶液中に浸漬させた SUS316L に対し，レーザ照射処理を行ったと
ころ，Al 成分を含有した改質層が形成できた。XRD を用いて分析を行った結果，スピネル構造を有する
FeAl2O4 で構成されていることが明らかとなった。さらにデフォーカス量を変化させてレーザ照射を行ったところ，デフォーカス量が増大するにしたがって改質層厚さが減少した。さらに改質層に対し，硬さ試験を実施した結果，基材と比較して，高硬度化していることがわかった。
Key words :レーザ，表面改質，微細加工，ビッカース硬さ，オーステナイト系ステンレス鋼

はじめに

数100 µm～数 mmのオーダーであるため，細径鉗子に近年，内視鏡を用いた腹腔鏡下手術では，さらなる用いられる微小歯車にとっては，過大な処理となって１

患者の負担軽減のために体にあける孔の小径化が進んしまう。

でおり，それに伴い，挿入する鉗子などの手術器具のそこで本研究では，より局所的な表面改質法の確立

細径化が進んでいる。組織の把持，切断，縫合といっを目指す。100 µm以下の領域の表面改質には低出力レた作業を行うため，鉗子は，曲げやひねりなどの運動ーザを用いる必要があるが，低出力レーザによる表面機能が必要である。これらの機能を付加するため，鉗

改質は，拡散成分の供給法が課題である。レーザによ子には微小歯車が使用されており，その摺動面には高る窒化処理では，窒素ガス雰囲気が必要となり，粉末い耐摩耗性が求められている。鉗子の長寿命化のため，やめっきによる供給では基材表面まで十分に加熱する

摺動面には各種コーティングや熱処理などの表面改質

ことができない。そのため，本研究では，拡散成分をを施す必要がある。しかし，細径鉗子に用いられる微溶液中に溶解させて供給する湿式法について検討した。

小歯車は高精度形状が要求されるため，基材全体を対本研究では，細径鉗子などの医療機器に用いられる象とした表面改質法では，要求精度を満たすことが難

オーステナイト系ステンレス鋼SUS316L材の表面改質

しい。そのため，歯車の形状変化を最小限に留め，なを行う。オーステナイト系ステンレス鋼は，焼入れにおかつ表面改質処理が行える局所改質法が求められてよる表面硬化及び耐摩耗性の向上が望めないため，異いる。

元素拡散による表面改質処理が行われている。その中局所領域を対象とした表面改質には，局所加熱が行えるレーザを用いたものがある

1),2)。例えば，川澄ら

3)でもAl成分の拡散は多くの利点がある。熱処理を経て
形 成 さ れ る Al-Fe合 金 層 は ， 表 面 硬 度 5)-8) や 耐 摩 耗 性はS45C材に対しレーザによる焼入れ処理を行い，入熱9),10)

量と焼入れ深さの関係について明らかにしている。まは，Al(NO3 ) 3 溶液に浸漬させたSUS316L材に対し，レー

た，山口，西尾ら 4) は，窒素雰囲気中で純Tiに対しレザ照射を行うことで，Al成分を拡散させる液中レーザーザ照射による窒化処理を行い，表面硬度が向上する

局所改質法の開発を目的として基礎実験を行った。

こと示した。しかし，これらの研究事例で使用しているレーザは出力が大きく，形成される改質層の厚さは*

栃木県産業技術センター 機械電子技術部－ 71 －の向上などの特性の付与も期待できる。本研究で栃木県産業技術センター

研究報告

２
２．１

No.13（2016）

研究の方法

試験片と溶液本研究では，試験片として表１に示す組成を有する
オーステナイト系ステンレス鋼 SUS316L を用いた。同材をφ15 mm×t4 mm の円盤形状に機械加工した後，耐水研磨紙およびアルミナ懸濁液を用いた研磨により鏡面仕上げを行った。同材表面に Al 成分を拡散させた改質層の形成を試みるため，Al イオンを含む Al(NO 3 ) 3溶液を用いることとした。溶液濃度が Al 成分拡散に及ぼす影響を調べるため，濃度 1％及び 10％の溶液を使
用した。

図１

表１

実験の様子

試験片の組成表２

図２レーザ走査パターン

レーザ照射条件

C

Si

Mn

P

S

Ni

Cr

Mo

Fe

Wavelength1064 nm

0.018

0.28

1.25

0.037

0.023

12.0

16.25

2.00

Bal.

Pulse width

100 nsRepetition frequency

100Hz

Power

9 W

Defocus amount0, 1, 2, 3 mm

Scan rate

50 mm/min

２．２

実験装置

本研究で取り扱う局所改質法は，基材の変形を防止するため微小領域のみへの改質層の形成を目指したものである。そのため，低出力のパルス発振ファイバー

３

レーザユニット(VGEN ISP-1-40-30，Spectra-Physics)を用いた。当該装置は小型かつ軽量であるため，マシ

３．１

結果および考察

レーザ照射による改質層形成

ニングセンタなどの加工機に取り付けて使用できる利溶液濃度 10％，レーザ出力 9W，走査速度 50 mm/min点がある。図１に示すように当該ユニットを超精密加デフォーカス量 1 mm の条件でレーザ照射実験を行った。

工機（LINIMAX 東洋工学）に取り付け，加工機の駆動

レーザ照射面に対し，EDX による成分分析を行った結機構を利用して図２に示すパターンでレーザ走査を行

果を表３に示す。表３では，Al，O，Fe，Cr，Ni の各った。また，SUS316L 試験片は図１のようにステージ元素を足し合わせた値を 100％とし，それぞれの元素

上面に取り付け，Al（NO 3 ） 3 溶液中に浸漬させた。基の存在割合を濃度換算している。表３より，未照射領

材が取り付けてあるステージは，治具に対しネジ部を域と比較して，レーザ照射領域では，Al 成分，O 成分

介して挿入・固定されており，高さの微調整が可能での割合が増加し，SUS316L 材を構成する Fe，Cr，Ni 成ある。本実験ではこの機構を利用して液面高さを試験分が減少していることがわかる。基材に最も多く含ま

片上面から 1 mm に設定した。

れる Fe 成分と比較して，Al 成分および O 成分の割合が多くなっていることから，基材表面において反応が２．３

生じ，組成が大きく変化したことがわかる。

レーザ照射条件及び照射面の評価方法

本研究では，試料表面への入熱量の影響について調表３

試験片表面の EDX 分析結果（mass%）

べるため，レーザのデフォーカス量を変化させて実験を行った。レーザ照射条件の詳細を表２に示す。レー

Un-treatment

ザ照射後，SEM を用いて試験片表面の観察および EDX

seriesによる元素分析を行った。また，照射面から深さ方向

Treated series

Al

O

Fe

Cr

Ni

0

1

68

16

15

33

47

14

4

2

への拡散層の拡がりを観察するため，照射面を切断し，
EDX により断面方向の元素分析を行った。さらに形成した拡散層内の Al，Fe，O 成分の状態について検討するため，X 線回折法により構造解析を行った。

３．２

XRD による改質層構成物の同定

前述の試験片で形成した拡散領域での各元素の結合状態を調べるため，X 線回折法による構造解析を行った。得られた回折パターンを図３に示す。同図中の○で示したピークは SUS316L 由来のピークである。記号－ 72 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）のあとの括弧内の数値は，それぞれの回折ピークと対とにより，改質層が形成されるデフォーカス量の閾値応する結晶方位である。同図では○で示した SUS316L

は 2 mm から 3 mm の間に存在することがわかった。

由来のピーク以外に◆で示した複数のピークが存在す
ることがわかる。このピークは，レーザ照射により生成された物質の回折ピークであると考えられる。これ
らの回折ピークを過去のデータベースと照らし合わせた結果，スピネル構造を有する Fe と Al の酸化物である FeAl 2O 4 の持つ回折ピークであることがわかった。
Fe と Al のスピネル型酸化物は，高硬度かつ耐摩耗性に優れることが知られており，本手法により形成された拡散層も同等の機能を有すると推察できる。

図４

３．４

試験片断面の SEM 観察像及び EDX 分析結果

改質層の硬さ試験形成した改質層の硬度を調べるため，デフォーカス
図３

1 mm にてレーザ照射を行った試験片断面に対し，マイXRD による分析結果

クロビッカース硬さ試験機を用いた硬さ試験を実施し３．３た。その結果を表４に示す。同表より改質層は基盤とデフォーカス量が改質層形成に及ぼす影響

次に，レーザエネルギ密度が変化した際の影響を明比較して，3 倍程度の硬さを有していることが明らか

らかにするため，0 mm から 3 mm までデフォーカス量となった。このことは，耐摩耗性の向上に寄与するとを変化させてレーザ照射を行った試験片の断面を切断考えられる。

し，FE-SEM により観察・分析した。その結果を図４に表４示す。同図より，デフォーカスを 0 mm とした場合では，試験箇所

ビッカース硬さ試験結果
ビッカース硬さ

基材表面が大きく加工され，大きな凹凸が形成されてHV0.01いることがわかる。また，EDX 分析結果から Al 成分は

基材

330

基材表面に存在するものの，明確な改質層が形成され

改質層

1050

ていないことがわかる。一方，デフォーカスを 1 mmとしたシリーズでは，デフォーカスを 0 mm とした際よ

４

おわりに

りも基材表面が加工されておらず，Al 成分が基材表面

本研究では，医療用オーステナイト系ステンレス鋼に局在しており，明確な改質層が形成されていることの耐摩耗性向上のため，新しい表面改質法の開発を目がわかる。これは，焦点をずらすことで，エネルギ密指し，Al(NO3 ) 3 溶液に浸漬させた SUS316L に対し，レ度が低下し基材表面の加工を抑制しつつ，均一な加熱

ーザ照射実験を行い，以下の知見を得た。

が行われたことを示している。また，デフォーカス量（1） レーザ照射の結果，試験片表面に Al を含有したを 2 mm とした場合では，デフォーカスが 1 mm の時よ

改質層の形成を確認した。

りも改質層が薄くなっていることがわかる。これはエ（2） XRD による分析の結果，改質層はスピネル構造を

ネルギ密度の低下に伴い，基材への入熱量も低下した有する FeAl2O4 で構成されていることが明らかためであると考えられる。このことは，デフォーカスになった。

量を調整することにより，改質層の厚さを制御するこ（3） デフォーカス量を変化させながら処理を行ったとができることを示している。また，デフォーカス量

結果，デフォーカス量が大きくなるにしたがっを 3 mm とした場合では，Al 成分はほとんど検出されて，改質層厚さは薄くなることが明らかとなっず，改質層が形成されていないことがわかる。このこた。

－ 73 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）（4） ビッカース硬さ試験の結果，改質層は基材と比

5)M.Potteser, T.Schoeberl, H.Anterwitsch, andJ.Bruckner : The Characterization of the較して，約 3 倍の硬度を有することがわかった。

Intermetallic Fe-Al Layer of Ateel-Alumiinum
謝

Weldings, The Minerals, Matels and Materials

辞本研究の遂行にあたり，慶應義塾大学
国立研究開発法人理化学研究所

Society, (2006), 167.

小茂鳥教授，

大森先生，片平先生

6)

S.Tomida and K.Nakata : Fe-Al Composite Layersには有益な御助言を賜りました。また，本研究は（公on Aluminum Alloy Formed by Laser Surface財）天田財団の支援を受けて実施いたしました。ここ

Alloyingに記して深謝いたします。

Coatings Technology 174-175(2003),559.

本事業で用いた測定機の一部は公益財団法人 JKA の

7)

with

Iron

Powder,Surfaceand佐々木朋裕, 八高隆雄 : アルミニウム箔を利用補助事業によるものであり，競輪マークを記して謝意し た 軟 鋼 の ア ル ミ ナ イ ズ 処 理 , 鉄 と 鋼 , 89,を表する。

12(2003), 1227.
8)

八高隆雄 :

参考文献
1)

オーステナイト合金のアルミナイズ処理による

metallization of fluorocarbon polymers by

Fe-Al 合金皮膜形成過程, 日本金属学会誌, 73,

excimer laser processing, Appl. Phys. Lett. 63,

9(2009), 695.
9)

W.Kai and R.T.Huang : The Corrosion Behavior

田辺郁男, 山口直也, 水谷淳之介, 渡辺哲也,

of Fe-Al Alloys in H2/H2S/H2o Atmospheres at

板垣薫: YVO4 レーザ加工機を用いたステンレス

700-900℃ : Oxidation of Metals, 48,1-2(1997),

鋼とチタンへの発色加工, 日本機械学会論文集59.
10) 八高隆雄, 小林重昭, 佐々木朋裕 : Fe-Al 系金（C 編）, 69, 685(2003), 2470.
3)

炭素窒素無添加 Fe-12Ni-9Co-10W 系

H.Niino and A.Yabe : Surface modification and(1993), 3527.
2)

有川秀一, 宗 R 木政一, 大久保弘, 阿部富士雄,

川澄博通, 新井武二 : レーザを用いた表面硬化

属間化合物の 2 元アブレシブ摩耗, 鉄と鋼, 89,

における熱源の影響（第一報）, 精密機械, 47,

11(2003), 1178.

6(1981), 669.
4)

K.Nishio, T.Yamaguchi, H.Era, and M.Katoh :Surface Modification of Titanium using Laser

本研究は，公益財団法人 JKA

Beam, Materials Transactions, 45, 5(2004),

補助事業により整備した機器

1613

を活用して実施しました。

－ 74 －

Ⅴ 経常研究

Ordinary Research栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

経常研究

鋼の低温脆性域におけるエンドミル切削加工
中野 佑一*

田村 昌一*

稲澤 勝史*End Milling in Cold Brittleness Range of SteelYuichi NAKANO, Shoichi TAMURA and Katsufumi INAZAWA
切削加工における生産コスト削減や生産性向上の要求に対して，様々な試みがされている。本研究では低温脆化するとされている SS400 及び S50C を被削材として，低温(-40℃)に冷却した被削材に対してエンドミ
ルによる切削加工実験を行い，切削特性を評価した。その結果，被削材を低温とすることで切削力を 30％程度低減でき，加工面が良好になることが示された。また，切削速度を上げることで高能率加工の可能性が示された。
Key words: 低温脆性，鋼，切削加工，切削力，高能率

１ はじめに

２ 研究の方法

近年，自動車や携帯端末などの部品は多品種少量生産であり，２．１ エンドミルを用いた側面切削実験

モデルチェンジの周期も短いことから，それらの部品を成形す

被削材を低温とした場合の切削特性を調査するため，図 1 にる金型においても，短期間で安価，高精度な加工が求められて示すように，マシニングセンタ（YBM640Ver.3，YASDA）のテーいる。

ブルの上に切削動力計(9272，KISTLER)を取付け，上部に被削材

これらの要求に対応するためには，加工時間の短縮につながを固定し，表１の加工条件にて，乾式でエンドミルによる側面

る切削加工の高能率化を図ることが必要となる。加工の高能率切削を行った。被削材は，一般構造用圧延鋼 SS400(JIS G 3101)

化においては，切削速度を上げる高速加工や工具送り量を大き及び機械構造用炭素鋼材 S50C(JIS G 4051)の二種類とし，被削1）2)が検討されてきたが，こ材の温度は常温（20℃）及び低温（-40℃）の２種類の条件にてれらには切削時に工具に大きな切削力がかかるためにびびり振実験を行った。工具は直径 10mm のコーティング無しの超硬スク

動や工具欠損，工具摩耗が発生するといった問題がある。

エアエンドミルを用いた。加工時には切削力を測定し，温度変くとる高送り加工といった加工方法対応策として，加工工具の振動特性を解析することによって化の様子をサーモカメラ（NECAvio H2640）にて観察した。加3)

最適な加工条件を導き出し，びびり振動を抑制する方法 ，専用
4)

工後に表面粗さ測定機（アメテックテーラーホブソン，フォーの工具形状や工具材料，
コーティング の開発を行うといった工

ムタリサーフ S6）を用いて粗さの評価を行い，デジタル顕微鏡

具面からの方法が試みられている。

(KH-8700，HiRox) を用いて加工面の観察を行った。

本研究では，被削材の面からの方法として，鋼材の低温脆性という性質に着目した。低温脆性は低温時に材料の特性が変化
し，常温と比較して脆くなるという性質である。通常，低温脆性は強度低下を引き起こし，実使用時では金型に割れ等を引き起こすため好ましくない。しかし，金型製作時に低温脆性を利用した切削加工を行うことで切削力が低下し，びびり振動や工具欠損が防げるため，さらなる高能率加工が可能になると期待できる。
本研究では鋼材を被削材とし，被削材が常温の状態と脆性域となる低温の状態でエンドミルによる切削を行い，被削材の低温化が切削特性に及ぼす影響を明らかにし，高能率な加工条件を提案する。

図１ 実験概要*

栃木県産業技術センター 機械電子技術部－ 75 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

表１ 加工条件

２．２ 高速切削の検討
SS400 を被削材とし，高能率な加工を行うための加工条件の検討を行った。1 刃当たりの切削体積を一定とするため，工具送り

図２ SS400 加工時の切削力比較

速度 0.05mm/tooth，径方向切込み 0.2mm，軸方向切込み 10mm の切削条件で切削速度のみを変更し，表２の条件にて側面切削を行ったときの切削力を測定し比較を行った。
表２ 高速切削検討用加工条件

図３ SS400 の加工面比較

３ 結果及び考察
３．１ エンドミルを用いた側面切削実験
３．１．１ SS400 加工時の切削力と表面状態の比較

図４ SS400 の加工面粗さ(常温)

図２に SS400 を常温（20℃）及び低温(-40℃)にて切削した際の各方向の切削力を示す。常温で切削した場合と比較し，30%程
度切削力が減少している。切削力が低減できるため，工具摩耗の抑制が期待できる。また，より工具に負荷をかけることができるため，切込みを大きくする，切削速度を上げる等，加工能率を上げることが可能となる。
加工面の顕微鏡写真を図３に示す。常温では工具送りの方向

図５ SS400 の加工面粗さ(低温)と平行に傷が見受けられた。これに対して，低温では傷もなく良好であった。同加工面における粗さ曲線を比較するため，工具送り方向にて粗さ測定を行った。粗さ曲線を図４及び図５に示す。常温と比較し低温の方が粗さの値が低くなっている。粗
さ曲線の波形から，被削材が脆化されることにより，エンドミ
ルの刃によって被削材を引張る塑性変形が少なくなり，粗さが向上したものと考えられる。
加工時の工具及び被削材の温度分布を図６に示す。常温ではエンドミルの刃先が高温となっているのに対し，低温では被削

図６ 加工時の温度

材全体の温度が低く，エンドミル刃先の熱が被削材に奪われるため，エンドミル刃先の温度が 30℃付近まで低くなっている。

３．１．２ S50C 加工時の切削力と表面状態の比較

これにより，工具摩耗の原因となる，刃先の温度上昇を防ぐことが出来ると考えられる。

図７に S50C を常温（20℃）及び低温(-40℃)にて切削した際の各方向の切削力を示す。常温で切削した場合と比較し，15%程－ 76 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

度切削力が減少している。S50C も同様に切削力低減の効果は見られた。図８に加工面の状態及びそれぞれの粗さの値を示す。
SS400 と同様の傾向が見られ，被削材を低温とすることで切削力の低減及び加工面品質を向上させることが可能である。

図９ 各切削速度における切削力比較
４ おわりにSS400 と S50C を被削材とした切削加工に対して，被削材を冷却する加工方法における切削特性を調査し，次の結論を得た。
図７ S50C 加工時の切削力比較(1) 被削材を-40℃の低温にすることにより，切削力を低減でき，良好な加工面を得ることができる。
(2) 被削材を低温にすることにより，工具刃先の温度上昇を防ぐことができる。
(3) 低温下では，切削速度を上げた状態でも，切削力の低減効
果が得られ，常温の状態よりも切削力が下がる。よって，
工具刃先への負担が軽減されるため，高能率な条件での加工が期待できる。
謝

図８ S50C の加工面比較

辞

本事業で用いた機器の一部は公益財団法人 JKA の補助事業によるものであり，競輪マークを記して謝意を表する。

３．２ 高速切削の検討
図９に被削材 SS400 が常温及び低温時の各条件(条件 1～3)に

参考文献

おける切削力を示す。各条件において，被削材を低温とすると

1) 内藤邦雄，他："精密工学会誌", No.4(59) 649-654（1993）

切削力が低くなり，その関係は切削速度を上げたとしても保た

2) 武藤学，他："精密工学会誌", No.11(64) 1674-1678（1998）れるということがわかった。以上より，被削材を低温とするこ

3) 稲澤勝史，他："栃木県産業技術センター研究報告 No.10"，とで脆化により，切削力を低減し，刃先の負荷を下げることが（1），1-3（2013）

できるとともに，切削時の刃先の温度も下がり，切削速度を上4) 山田保之，他："精密工学会誌", No.6(61) 778-782（1995）

げることができ，その結果として加工時間の短縮が期待できる。

5) 加賀忠士，他："岐阜県産業技術センター研究報告"，（1），83-86（2007）

本研究は，公益財団法人 JKA 補助事業により整備した機器を活用して実施しました。

－ 77 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

経常研究

ハイドロゲルの農業生産における実用性研究―いちご苗生産での実用性検討―
仁平

淳史*

小林

愛雲*

大橋 隆**

鶴見理沙**

Practical Use of Hydrogels in Agricultural Production－Investigation of Practical Use in Strawberry Seedlings－
Atsushi NIHEI, Azumi KOBAYASHI, Takashi OOHASHI and Risa TSURUMI
HECゲルの凍結により多孔構造を有するハイドロゲルを調製した。調製した多孔性ゲルをいちご苗
慣行培地に添加し，いちご苗の育苗試験を行い，その実用性を検討した。多孔性ゲルの培地への添加量が増加するに従い，ゲルの乾燥・膨潤に起因する培地の体積変動が大きくなり，苗の成長が抑制された。試験の結果からゲルの培地への添加量は概ね10%以下にすることが望ましいと推察された。
Key Words :ヒドロキシエチルセルロース，ゲル，いちご，育苗

１ はじめにを加え，pH=12.8の粘ちょうなプレゲル溶液を調製した。調製

本県の特産品である「いちご」の生産においては，育苗時のしたプレゲル溶液を60℃の恒温器中に静置し，24時間反応させ土壌水分量の過多や不足に起因して多発する土壌病害の抑制がHECゲルを合成した。反応後HECゲルを多量の50wt%イソプロピ

課題となっている。高温多湿条件で発生する炭疽病や，高温乾

ルアルコール水溶液に浸漬し，未反応のEGDEを除去した。最後

燥条件で発生する萎黄病には特効性の化学農薬はなく，蔓延時に多量の水を用いて浸漬洗浄を行い，10mm角に切断しHECゲルには苗が全滅する恐れがあり，培地の適正な水分管理が防除のを得た。ゲルの吸水時のポリマー重量と105℃，24時間乾燥時

重要なポイントとなっている。しかしながら１日２～３回の潅のポリマー重量を測定し，次式によりゲルの膨潤度と含水率を水作業による負担は大きく，生産農家における作業の省力化が算出した。

求められている。
膨潤度= Mhydrated/ Mdry

親水性ポリマーの架橋体からなるハイドロゲルは自重の数十倍から数百倍の水分を保持できる特徴を持っており，ポリマー

Mhydrated:吸水時のポリマー重量(g)の種類や合成条件を変えることにより，その飽和含水量や保水

Mdry:105℃，24h乾燥時のポリマー重量(g)含水率=(Mhydrated-Mdry)/Mhydrated×100

力をコントロール可能である。そのためハイドロゲルには培地
水分量の急激な変化を緩和し，病害発生の抑制と育苗管理作業

２．２ 凍結による多孔性HECゲルの調製の省力化が期待できる。
そこで本研究では植物栽培利用を前提としたハイドロゲルの上記２．１で調製した10mm角のHECゲルを-20℃，-40℃でそ合成と最適化及びいちご苗生産におけるハイドロゲルの実用性

れぞれ凍結し，氷結晶を成長させることでゲル内部に多孔構造について検討を行った。

を導入した。25℃から所定凍結温度までの降温時間を0 , 2 ,4hとし，低温恒温恒湿装置（エスペック PL-2SP）を用いて凍結し，その後常温の水に浸漬させ多孔性のHECゲルを得た。

２ 研究の方法

ゲル内部の気孔構造については，凍結したゲルを凍結乾燥器

２．１ ハイドロゲルの調製
ヒドロキシエチルセルロース（HEC）(ALDRICH average Mw（EYELA FDU-810）を用いて乾燥させた後，電子顕微鏡（日立～250,000)を水に溶解し，7 , 10 , 12wt%溶液をそれぞれ調製

ハイテクノロジーズ TM-1000）を用いて評価した。

した。調製したHEC溶液に所定量のエチレングリコールジグリ

２．３ 多孔性HECゲルの保水性評価
上記２．２で調製した多孔性HECゲルを22℃恒温環境下に静シジルエーテル（EGDE）(東京化成)と5M水酸化カリウム水溶液

置し，ゲル膨潤度の経時変化を測定した。比較対照としていち* 栃木県産業技術センター 材料技術部** 栃木県農業試験場いちご研究所

ご苗栽培における慣行培地（鹿沼土：くん炭＝２：１混合培地）についても同様の測定を行い，試料乾燥重量当たりの吸水－ 78 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

重量（膨潤度）として評価した。

れぞれ示す。HEC濃度の増加とEGDE添加量の増加に伴い，膨潤２．４ 多孔性HECゲルの吸水復元性評価

度と含水率は共に低下した。ゲルの膨潤度と含水率は，ゲル調

22℃恒温環境下にて乾燥させた多孔性HECゲルを常温のイオ

製時のポリマー密度と架橋密度に依存するため，これら両者のン交換水に浸漬し，吸水による含水率と膨潤度の経時変化を測

コントロールにより膨潤度と含水率を制御可能である。HECとE定した。比較対照として気孔形成のない未凍結ゲルについてもGDEより調製したゲルの膨潤度は10～36の範囲を，含水率は90

同様の評価を行い，その吸水復元性を評価した。

～97%の範囲を示した。

２．５ いちご苗を用いた育苗試験

３．２ 凍結によるHECゲルの気孔構造変化が分かる。しかしながら降温時間が2,4hの条件にて調製した多図２に 7wt%HEC/5wt%EGDE より合成したゲルの凍結条件の違孔性ゲルでは，未凍結ゲルよりも復元性が同等以下であった。
いによる気孔構造変化を示す。所定凍結温度までの降温時間を-40℃凍結（降温時間0h）の条件によりゲル内部に形成される
長くすると，形成される気孔サイズは大きくなった。-40℃凍50～100μmの気孔が，水分の保持力向上に寄与しているものと結（降温時間 0h）の条件では気孔サイズは 50～100μm 程度で考えられる。
あるが，降温時間が 2h の条件では 200～300μm 程度，降温時
３．４ 育苗試験結果
間が 4h の条件では 500～600μm と徐々に大きくなった。この
表１に仮植60日後の生育状況と活着率を，表２に仮植60日後
傾向は-20℃凍結条件でも同様ではあるが，凍結温度がより低の苗質をそれぞれ示す。培地へのゲル混合率を10 , 30 ,い-40℃の条件の方が形成される気孔サイズが小さいように見
50wt%とし試験を行ったところ，スカイベリーの30 , 50wt%混える。これは気孔形成の基となる氷結晶の大きさに起因するも合区において活着率が半減し，生育に大きな影響が生じた。そのと考えられ，ゲル内部の氷結晶の成長を左右する凍結速度がれ以外の混合条件では対照となる慣行培地よりも活着率が若干大きく影響しているためと考えられる。
低下する結果となった。苗質についてはハイドロゲルの混合に３．３ 多孔性HECゲルの保水性と吸水膨潤復元性よりクラウン径や内生葉数の一部で慣行培地よりも優れる結果
図３に 7wt%HEC/5wt%EGDE からなるゲルの，凍結条件を変化が見られたが，全体としては活着率低下の影響を受け，生育がさせたときの膨潤度及びその経時変化を示す。-40℃凍結条件
抑制される結果となった。ハイドロゲルの培地への混合率が多の各種ゲルは未凍結ゲルよりも膨潤度が大きくなった。一方でくなるほど混合培地の体積減少が確認されたことから，このこ-20℃凍結条件の各種ゲルでは未凍結ゲルよりも膨潤度が低下とが活着率低下と生育を抑制する要因であると考えられる。そした。これは凍結速度の違いから生じる気孔サイズによって，のため培地へのハイドロゲルの混合率は概ね10％以下に抑える
水分の保持力が変化するためと考えられ，-20℃の凍結条件にことが望ましいと考えられる。
より形成される多孔性ゲルは，気孔サイズが大きく水分の保持

7月中旬に空中採苗により24穴セルトレイへ採苗仮植を行い，仮植時の慣行培地に調製した多孔性ゲルを0（対照） , 10 ,
30 , 50wt%混合し，育苗温室内にていちご研究所慣行管理（マイクロスプリンクラーによる自動潅水）により育苗を行った。
供試品種として，とちおとめとスカイベリーの2品種を選択し，1区24株2区制で試験を行い，仮植60日後の生育状況と活着率ならびに苗質について調査した。なお，花芽分化指数は０：未分
化，１：肥効期，２：分化期，３：花房分化期として評価を行った。
３ 結果及び考察
図３ 多孔性HEC ゲル膨潤度の経時変化
３．１ HECゲルの性質

図１に調製した各種HECゲルの膨潤度と含水率をそ◆未凍結■-40℃凍結（降温時間 0h）▲-40℃凍結（降温時間 2h）
×-40℃凍結（降温時間 4h）

図４ 多孔性(a)膨潤度
HEC ゲルの吸水膨潤復元性

力が未凍結ゲルよりも弱いためと考えられる。-40℃凍結条件
４ おわりににより調製した各種多孔性ゲルは，慣行培地の 12～16 倍の膨HECゲルの凍結による多孔質化の検討と，多孔性HECゲルを用
潤度を示し，水分保持時間は慣行培地の 3～4 倍であった。
いたいちご苗栽培により次の結果を得た。
図４に22℃で乾燥した7wt%HEC/5wt%EGDE系ゲルの吸水による（1）7wt%HEC/5wt%EGDEからなる各種多孔性ゲルは，慣行培地
膨潤復元性を示す。図より-40℃凍結（降温時間0h）の多孔性よりも12～16倍の膨潤度を示し，水分保持時間は慣行培
ゲルは，未凍結ゲルよりも吸水による膨潤復元力が大きいこと
地の3～4倍であった。また-40℃凍結（降温時間0h）ゲルが吸水による膨潤復元性に最も優れた。

表１ 仮植 60 日後の生育状況と活着率（2）とちおとめ，スカイベリーともに仮植60日後の苗の活着率，生育性及び苗質は対照区が最も優れ，次いでハイド
ロゲル10wt%混合区で優れた。
（3）ハイドロゲルの培地への混合率が高いほど乾燥時における培地体積の変動が大きくなり，このことが活着率や生育，苗質に悪影響を及ぼしていると推察された。
今後はゲルの混合割合や混合ゲルサイズ，構成ポリマー種等を再検討し，膨潤復元性が速く培地の体積変動を最小限に抑制
図２ 凍結による HEC ゲルの気孔構造変化できるハイドロゲル混合培地条件を探索し，育苗試験を通した

表２ 仮植 60 日後の苗質

ハイドロゲル混合培地の実用性を検討していく予定である。

(b)含水率
図１ HEC ゲルの膨潤度と含水率－ 79 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）が分かる。しかしながら降温時間が2,4hの条件にて調製した多孔性ゲルでは，未凍結ゲルよりも復元性が同等以下であった。
-40℃凍結（降温時間0h）の条件によりゲル内部に形成される50～100μmの気孔が，水分の保持力向上に寄与しているものと考えられる。
３．４ 育苗試験結果
表１に仮植60日後の生育状況と活着率を，表２に仮植60日後の苗質をそれぞれ示す。培地へのゲル混合率を10 , 30 ,50wt%とし試験を行ったところ，スカイベリーの30 , 50wt%混
図３ 多孔性 HEC ゲル膨潤度の経時変化合区において活着率が半減し，生育に大きな影響が生じた。それ以外の混合条件では対照となる慣行培地よりも活着率が若干低下する結果となった。苗質についてはハイドロゲルの混合によりクラウン径や内生葉数の一部で慣行培地よりも優れる結果が見られたが，全体としては活着率低下の影響を受け，生育が抑制される結果となった。ハイドロゲルの培地への混合率が多くなるほど混合培地の体積減少が確認されたことから，このことが活着率低下と生育を抑制する要因であると考えられる。そのため培地へのハイドロゲルの混合率は概ね10％以下に抑えることが望ましいと考えられる。

◆未凍結■-40℃凍結（降温時間 0h）▲-40℃凍結（降温時間 2h）
×-40℃凍結（降温時間 4h）

４ おわりにHECゲルの凍結による多孔質化の検討と，多孔性HECゲルを用いたいちご苗栽培により次の結果を得た。
（1）7wt%HEC/5wt%EGDEからなる各種多孔性ゲルは，慣行培地

図４ 多孔性 HEC ゲルの吸水膨潤復元性よりも12～16倍の膨潤度を示し，水分保持時間は慣行培地の3～4倍であった。また-40℃凍結（降温時間0h）ゲルが吸水による膨潤復元性に最も優れた。

表１ 仮植 60 日後の生育状況と活着率（2）とちおとめ，スカイベリーともに仮植60日後の苗の活着率，生育性及び苗質は対照区が最も優れ，次いでハイド
ロゲル10wt%混合区で優れた。
（3）ハイドロゲルの培地への混合率が高いほど乾燥時における培地体積の変動が大きくなり，このことが活着率や生育，苗質に悪影響を及ぼしていると推察された。
今後はゲルの混合割合や混合ゲルサイズ，構成ポリマー種等を再検討し，膨潤復元性が速く培地の体積変動を最小限に抑制できるハイドロゲル混合培地条件を探索し，育苗試験を通した

表２ 仮植 60 日後の苗質

ハイドロゲル混合培地の実用性を検討していく予定である。

－ 80 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

経常研究

光硬化型塗料を利用した日光彫への塗装の検討
太田 英佑*

手島 和典*

飯沼 友英*

Investigation of Painting for NIKKOBORI Using Photosetting Paint
Eisuke OTA, Kazunori TEJIMA and Tomohide IINUMA
日光彫は栃木県伝統工芸品であり，観光客向けの新たな商品開発への新技術導入が求められている。光硬化型塗料は高光沢・高硬度など従来用いられてきた塗料とは異なる性能が期待できるが，凹凸のあるようなものや伝統工芸品への活用例は見受けられない。本研究では凹凸のある木材サンプルに対応するため，様々な粘度条件で光硬化型塗料の塗布を行い，それら条件による平滑部分の塗膜特性の違いや彫り込み部分の液だまり量について検討した。平滑部の塗膜特性について高粘度であれば高い光沢性と写像性を示し，低粘度の場合においても下地の平滑さを高めることによって，高い光沢度と写像性を示した。彫り込み部分の液だ
まりについては断面観察により評価し，低粘度条件においてウレタン塗料の際と同等の膜厚に近づけることができた。
Key words: 塗装，光硬化塗料，日光彫

１ はじめにン塗料を 2 回のスプレー塗装で下地処理した。試験片寸法は

日光彫は栃木県伝統工芸品であり，日光を訪れた観光客から48mm（R:半径方向）×67mm（L:繊維方向）×16mm（T:接線方向）の土産などとして需要がある。また，東京オリンピックの開催である。凹凸を有するサンプルについては，日光彫は浮かし彫に向けて観光客が増加するものと考えられるため，日光彫業界のほか線彫など様々な彫り方で作品を作る特徴がある（合わせにおいては，観光客の購買意欲をよりかき立てるような魅力あ彫）1)ため，彫刻刀を用いて図１のように浮かし彫部分と丸彫部

る商品の開発に向けて，新たな技術の導入が求められている。

分を作成した後上述した下地処理を行った。

光硬化型塗料は1970 年頃より木製建材等のトップコート剤として用いられており，一般的な熱硬化型の塗料と比較して有機溶剤の使用量が少なく，乾燥に要するエネルギーも少ないため，建材以外の分野から注目を集めている塗料である。省エネルギ
ー以外にも，塗膜が高光沢・高硬度であることや，光マスキン
グにより任意な形状に塗膜を作ることができるなど，従来日光彫で用いられてきた塗料とは異なる特徴を有しており，機能性

図１ 凹凸サンプルのイメージ図付与や新規デザイン創出への可能性が大いにある。しかし，光

左：上面からの図 右：側面からの図

硬化型塗料は平滑な材料向けに生産されているため，日光彫のような細かい凹凸が存在するものにおいては塗料のレベリング

２．２ 光硬化型塗料の塗布
光硬化型塗料にはカシュー(株)製 UV TXL No.688 クリアーをにより液だまりを生じることが予測される。
そこで本研究では，光硬化型塗料の凹凸物への塗膜形成能や用い，粘度調整用の希釈剤としてカシュー(株)製ストロン

その塗膜特性に関する試験を実施し，日光彫への展開について

TXL2530 シンナーを用いた。光硬化型塗料の粘度管理は塗装現場検討を行った。

において広く用いられている粘度カップ（アネスト岩田(株)製：NK-2）を活用した。また，光硬化型塗料は一般的なウレタ
２ 研究の方法

ン塗料と比較し高価であることが多いため，塗着効率が低いス

２．１ 供試材料

プレー塗装を選択せず，ハンドリングが簡便であり塗料の再回

本研究で活用した試験片は柾目板の木材を基材とし，光硬化収も容易である浸漬法を用いることとした。調整した塗料をガ型塗料の塗布に当たり，木地をとのこで目止め後，2 液性ウレタ

ラスシャーレにとりわけ，加工面全体を塗料に浸し，試験片を*取り上げ後，試験片を傾けながら余分な塗料を除去した。光硬

栃木県産業技術センター 材料技術部－ 81 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

化型塗料の塗布後は 50℃で 15 分間加熱して塗料中の希釈剤を目すべてにおいてウレタン塗装よりも優位な塗膜性能を得られ除去してから（セッティング），紫外線照射を 90 分間行った。

ることができた。粘度 150 秒時のテストピースを図３に示す。

紫外線は安価に入手することができるジェルネイル用のUV ライ
ト(36W)により照射した。活用した UV ライトを図２に示す。ま

表１ 各粘度条件における平滑部分の塗膜特性

た，硬化の進行についてはフーリエ変換赤外分光光度計（(株)島津製作所製）を用いて確認した。

図２ UV ライト２．３ 塗膜特性の評価
平滑部(平板)の塗膜特性の評価にはアピアランスアナライザー（英国 Rhopoint Instrument 社製）を用いて，「光沢度」「正反射ピーク」「反射ヘイズ」「写像性指数（RIQ）」の視覚特性に関する４項目の評価を行った。
２．４ 凹凸サンプルにおける液だまり量の評価

図３ 平板テストピース

各粘度条件における彫り込み部への液だまり量を比較するた

左：下地塗り 右：光硬化塗装品（粘度 150sec）

め，凹凸サンプルの塗料硬化後に繊維方向にサンプルを切断し，デジタル顕微鏡((株)ハイロックス製)を用いた観察により，同３．２ 塗膜厚さ測定

一試料における浮かし彫部，丸彫部及び平滑部それぞれのウレ

塗膜の膜厚比を表２に，作成した凹凸サンプルを図４に，そタン塗膜層，光硬化型塗料層の膜厚を測定した。平滑部と各彫の顕微鏡観察画像を図５に示す。高粘度条件ではいずれの彫りり込み部を膜厚比で表すことにより液だまり量について評価し方及び粘度でも膜厚比がウレタン塗料と比べて大きくなってした。

まった。このことは粘度が高いために彫り込み部分に残留する塗料を硬化前に除去できなかったことに起因する。更に，高粘度では硬化後に塗料のたれも確認された。低粘度の際はウレタ

３ 結果及び考察

ン塗料の膜厚比に近づけることができた。

３．１ 塗膜特性の評価
平滑面の各粘度条件における塗膜特性の結果を表１に示す。
高粘度条件においては光沢度，正反射ピーク，反射ヘイズ，写像性すべてにおいてウレタン塗料と比較して優位な差が確認できた。とりわけ写像性の値については 100 に近いほど鏡面に近いことを示しているため，像の鮮明さがきわめて良好であることがわかる。低粘度条件においては下地処理後の研磨の有無により塗膜特性に大きく差が出た。これは，粘度を下げるために濃度を希釈しているため塗膜の膜厚が薄くなり，下地の影響を受けやすくなっているためと思われる。しかしながら光硬化型
塗料塗布前に下地を研磨することにより，低粘度条件でも 4 項－ 82 －

表２ 各粘度条件における塗膜の膜厚比栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

４ おわりに光硬化型塗料によりウレタン塗料とは異なる塗膜特性を有す
る塗膜形成を行うことができた。光硬化型塗料はウレタン塗料よりも高価ではあるが，可使時間が長いため塗料の再利用が可能であり，また，本手法は塗着効率が高いため塗料の損失も少ないなど，総合的には安価に施工ができる。さらに，使用する光源も容易に手に入れられるものであるため，小規模事業者でも活用が可能である。また，光硬化型塗料は塗膜硬度が高く，耐薬品性も高いとされているため，本研究で確認された塗膜性質を合わせて新たな製品開発への一助となることが期待される。一方で，実用化に向けては，塗料の硬化時間のより一層の
図４ 凹凸テストピース（粘度 45sec）

短縮が求められる。また，今回の凹凸テストピースは浸漬塗装
後の塗料の除去工程で塗料が流れ落ちやすい構造であったた
め，塗料が流れ落ちにくい凹凸模様や，実際の図案についても彫り込み部の液だまり量の検討を行う必要がある。
参考文献
1) 村上長四郎編著： "東照宮花の木彫技法日光彫"，日賀出版社，37，（1985 年）

図５ 断面観察図（粘度 45sec）－ 83 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

経常研究

白鋳鉄の硬さに及ぼす CE 値の影響
相馬 宏之*

石川 信幸*

樋山 里美*

Influence of CE Value about Hardness of White Cast Iron
Hiroyuki SOMA，Nobuyuki ISHIKAWA and Satomi HIYAMA
鋳鉄基地中の硬さと関連の深い組織の量を，CE 値（鋳鉄中の C，Si などを C 当量に換算した値）の調整で増加させることにより，Cr などの合金元素の添加を行なわずに鋳鉄の硬さの向上につなげることを目的とし，添加元素が少なく硬さの高い白鋳鉄の組成をベースとして，Fe-C-Si 系の組成において高いリサイクル性も兼ね備えた高硬度鋳鉄の可能性を検討した。
その結果，CE 値が増加するにつれて金属組織中に硬度の高いセメンタイトの領域が増える傾向が見られ，画像解析した結果からも同様の傾向が得られた。また，ブリネル硬さも CE 値が増加するにつれて向上する傾向が見られ，最大で HB532 が得られた。このことから，白鋳鉄の CE 値を増加させる
ことにより，高硬度の白鋳鉄を鋳造できることが分かった。
Key words:白鋳鉄，硬さ，CE 値検討する。

１ はじめに鋳鉄系の材料には，ねずみ鋳鉄や球状黒鉛鋳鉄，白鋳鉄など

２ 研究の方法があり，機械的特性向上のために添加元素を導入することが多い。一般に，粉砕機の部品や製鉄所の圧延設備などに適用され２．１ 試験片と試験方法

る耐摩耗性を要する鋳鉄製品には，白鋳鉄及び硬さや靭性の向試料は 0.3wt% Si，0.3wt% Mn の白鋳鉄を基本として，表１の上のために合金元素を多量に添加した高Cr 鋳鉄などが使用され配合表のとおり炭素の添加量を3.4wt%から4.4wt%まで調整した。

ている。

それぞれの配合でφ30×200mm の丸棒用シェル鋳型，φ40×60

一方，Cr のような分離回収が難しい添加元素はトランプエレ

ｍｍの丸棒用金型及びメダル状試験片金型に鋳造した。メダル

メントと呼ばれ，取扱いに注意を要する。Cr などの多量添加は状試験片で成分分析を行い，2 種類の丸棒から，硬さ及び金属組

長期的にみるとトランプエレメントの蓄積につながり，リサイ

織試験片を作製した。
表１ 配合表(wt%)

クル後の製品の機械的特性に悪影響を及ぼす恐れがある。様々な組成の製品が役目を終え廃材となった際，それらを完全に分

試料名

目標 CE 値C

Si

Mn

別することは困難であり，材料の時点からリサイクルしやすさ

Ａ

3.5

3.4

0.3

0.3

を考慮したトランプエレメントの添加を極力控えた材料が必要

Ｂ

3.7

3.6

0.3

0.3

とされている。

Ｃ

3.9

3.8

0.3

0.3

Ｄ

4.1

4.0

0.3

0.3

Ｅ

4.3

4.2

0.3

0.3

Ｆ

4.5

4.4

0.3

0.3

また，高 Cr 鋳鉄を例にとれば，Fe-C 系の鋳鉄よりも溶解温度が高いことに起因する溶解費用のアップや炉の寿命の短命化，添加元素による原料のコストアップなどの問題が挙げられることから，添加元素を極力低減した材料が求められている。
そこで本研究では，鋳鉄基地中の硬さと関連の深い組織の量を，CE 値（鋳鉄中の C，Si などを C 当量に換算した値）の調整
で増加させることにより，Cr などの合金元素の添加を行なわずに鋳鉄の硬さの向上につなげることを目的とし，添加元素が少なく硬さの高い白鋳鉄の組成をベースとして，Fe-C-Si 系の組成において高いリサイクル性も兼ね備えた高硬度鋳鉄の可能性を*成分分析試験には固体発光分光分析装置(スペクトロ社製
SPECTRO-LAB)を使用した。硬さ試験にはブリネル試験機(アカシ製 ABK-1)を使用して，図１の箇所を 3 か所測定した。
また，金属組織試験は，樹脂埋め装置( ビューラー製
SIMPLIMET2000)で試験片を樹脂に埋め込み，自動研磨装置(ストルアス製テグラミン-25)で鏡面研磨を行い，ナイタルで腐食し，

栃木県産業技術センター 材料技術部－ 84 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

金属顕微鏡(オリンパス製 GX-71)を用いて金属組織観察を行った。さらに，撮影した金属組織写真を 2 値化処理し，セメンタ
イトとパーライトの割合を算出した。

図１ ブリネル硬さの測定位置

金型Ａ

金型 B

金型 C

金型 D

金型 E

金型 F

３ 結果及び考察
３．１ 成分
表２に成分分析結果を示す。
表１の配合表のとおりになっていない試料もある。成分値は溶解時間や溶解温度，スラグの発生や巻き込み，材料の成分のばらつきなどの影響を受けるため，計算値とは必ずしも一致しない。特に，試料Ｆの CE 値が試料 E と同じ値を示したのは，
試料 F の炭素添加時に質量の軽い炭素がるつ

図２ 金型に鋳込んだ試験片の金属組織試験

ぼ内の熱で発生した上昇気流に煽られて，るつぼ側面に付着するなどして溶湯内に十分な炭素の添加ができなかったためと考えられる。
３．２ CE 値と金属組織試験
図２に金型に鋳込んだ試験片の金属組織試験の結果を，図３にシェル型に鋳込んだ試験片の金属組織試験の結果を示す。全て白鋳鉄の金属組織であったがCE 値が増加するにつれて図中の白い部分であるセメンタイトの占める領域が増加する傾向があ

シェル A

シェル B

シェル C

シェル D

シェル E

シェル F

った。これは今まで白鋳鉄では検証されてこなかったが，Fe-C
系平衡状態図 1)から予測される結果と一致する。
表２ 成分分析結果(wt%)
試料名

目標
CE 値

CE 値

Ｃ

Si

Mn

P

S

Ａ

3.5

3.51

3.42

0.27

0.27

0.014

0.0033

Ｂ

3.7

3.81

3.72

0.27

0.22

0.013

0.0063

Ｃ

3.9

3.91

3.77

0.24

0.27

0.167

0.0200

Ｄ

4.1

4.19

4.09

0.30

0.25

0.014

0.0110

Ｅ

4.3

4.36

4.26

0.29

0.24

0.017

0.0230

Ｆ

4.5

4.36

4.28

0.23

0.26

0.020

0.0049

図３ シェル型に鋳込んだ試験片の金属組織試験－ 85 －

研究報告

No.13（2016）

560

80

560

ブリネル硬さ
70

520

60

500

50

480

40

460

30

440

20

420
400
3.5

3.7

3.9

4.1

4.3

540

70

セメンタイトの割合
520

60

500

50

480

40

460

30

440

20

10

420

10

0

400

ブリネル硬さ HB

セメンタイトの割合

セメンタイトの割合 %ブリネル硬さ HB

540

80
ブリネル硬さ4.5

セメンタイトの割合 %栃木県産業技術センター

0
3.5

3.7

3.9

4.1

4.3

4.5

ＣＥ値

ＣＥ値

図４ 金型に鋳込んだ試験片の CE 値とブリネル硬さ

図５ シェル型に鋳込んだ試験片の CE 値とブリネル硬さ

及びセメンタイトの割合

及びセメンタイトの割合

表３ 金型に鋳込んだ試験片のブリネル硬さ

表４ シェル型に鋳込んだ試験片のブリネル硬さ

試料名

CE 値

平均値

HB1

HB2

HB3

試料名

CE 値

平均値

HB1

HB2

HB3

金型Ａ

3.51

475

451

499

474

シェルＡ

3.51

422

415

444

406

金型Ｂ

3.81

460

471

454

454

シェルＢ

3.81

433

426

444

429

金型Ｃ

3.91

489

471

492

503

シェルＣ

3.91

451

451

438

464

金型Ｄ

4.19

487

481

503

477

シェルＤ

4.19

468

467

474

464

金型Ｅ

4.36

532

522

555

518

シェルＥ

4.36

485

485

492

477

金型Ｆ

4.36

516

518

538

492

シェルＦ

4.36

499

503

514

481

３．３ CE 値とブリネル硬さ
図４に金型に鋳込んだ試験片のCE 値とブリネル硬さ及びセメ

また，図中の魚の骨のような形状の黒い色の部分であるデン

ンタイトの割合を，図５にシェル型に鋳込んだ試験片の CE 値とドライト(パーライトの樹枝状晶)は金型の方がシェル型より細ブリネル硬さ及びセメンタイトの割合を示す。また，表３に金く占める面積も小さくなる傾向があった。これも，金型の方が型に鋳込んだ試験片のブリネル硬さの測定値を，表４にシェル

シェル型より冷却が速いため，デンドライトが十分成長する前型に鋳込んだ試験片のブリネル硬さの測定を示す。どちらの試に凝固し，デンドライトが細かいままになったためと考えられ験片においてもCE 値が上がるにつれてセメンタイトの割合が増る。

加し，ブリネル硬さも向上する傾向が見られ，金型に鋳込んだ試験片では最大で HB532 が得られた。これは鋳放しの高 Cr 鋳鉄

４ おわりにに相当する。

白鋳鉄のCE 値を変化させることにより以下の結果が得られた。

また，一般的に冷却の速い場所の方がセメンタイトは多くな（1）白鋳鉄の CE 値が増加するに伴い，セメンタイトの割合がる傾向があるため，冷却の速い外周部の方が，冷却の遅い中心増加してブリネル硬さが向上した。ブリネル硬さは，金型部よりもセメンタイトの割合も多くなり硬くなると考えられるに鋳込んだ試験片で最大で HB532 が得られた。

が，今回の結果は外周部でセメンタイトが多くなる傾向は見ら（2）CE 値の同じ試験片では，鋳型の冷却が速い金型の方が，セれず，逆に硬さは外周部の HB1 や HB3 の方が中心部の HB2 より

メンタイトの割合が多く，ブリネル硬さは高かった。

低くなる傾向があった。
３．４ 冷却速度の影響とブリネル硬さ

謝辞

図２，図３，図４及び図５の比較から，同じ CE 値では金型に本研究を実施するにあたって，岩手大学工学部堀江客員教授

鋳込んだ試験片の方がセメンタイトの割合が多く，ブリネル硬には多大なる支援を受けたので，ここに感謝の意を表する。まさが高いことが分かった。これは，金型の方がシェル型より冷た、本事業で用いた測定機の一部は公益財団法人 JKA の補助事

却が速いため，冷却の速い場所で発生しやすいセメンタイトの業によるものであり，競輪マークを記して謝意を表する。

割合が増え，ブリネル硬さが高くなったためと考えられる。

－ 86 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

参考文献
鋳鉄の生産技術教本編集部会:鋳鉄の生産技術，(財)素形材セン

本研究は，公益財団法人 JKA 補助

ター，p2(1993)

事業により整備した機器を活用して実施しました。

－ 87 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

経常研究

新品種ニラ栃木５号の栽培技術の開発－ ニラの加熱・乾燥等処理による成分等への影響把握 －福嶋 瞬*

渡邊 恒夫*

佐藤 隆二**

青木 雅子**

大島 一則**Development of Cultivation Technique for New Chinese Chive Breed－ Evaluation of effect on ingredients of chinese chive caused heating and drying －Shun FUKUSHIMA, Tsuneo WATANABE, Ryuji Sato, Masako AOKI and Kazunori OSHIMA
農業試験場にてニラ新系統「ニラ栃木 5 号」が開発されたが，最適な栽培技術の確立や成分的な把握はほとんど行われていない。そこで，栽培条件による収量・品質への影響や，含硫成分（メチイン・アリイン）
含量への影響に加え，加熱処理による一般生菌数，含硫成分含量への影響を評価した。その結果，栽培条件については，地中加温により一株当たりの重量・一茎重・葉長が，高温管理により含硫成分が増加することを明らかとした。加熱処理については，浸漬温度 75℃で加熱することで，一般生菌数が約 102CFU/g まで減
少し，含硫成分は非加熱検体と比較して高くなることを明らかとした。また，高温管理条件で栽培したニラ
栃木 5 号及び従来品種の加熱処理後を比較すると，ニラ栃木 5 号に含硫成分が多く含まれることを明らかとし，加熱処理後のニラ栃木 5 号の優位性を確認した。
Key words: ニラ，栽培技術，一般生菌数，メチイン，アリイン

１ はじめに

２ 研究の方法1)

栃木県は平成 25 年度ニラ生産量が 11,400t と，全国有数のニ

２．１ 地中加温栽培条件

ラの生産県である。ニラには含硫成分であるメチインやアリイン

平成 27 年 3 月 24 日にニラ栃木 5 号を 128 穴セルトレイに 2が葉肉細胞に含まれており，アリイナーゼ酵素との反応によって粒ずつ播種し，5 月 28 日に窒素成分で a 当たり 3kg の肥効調節

スルフィド類に変化する。この成分には，抗動脈硬化作用や抗ガ型肥料を全面土壌混和にて施肥した。6 月 3 日に，畝幅 40cm，ン作用等の健康機能2)-5)を有することが報告されている。

株間 23cm，深さ 10cm，株当たり 4 本でパイプハウス内に定植し一方で，栃木県では，ニラの産出額が平成 18 年度に高知県にた。9 月 28 日に捨て刈りと，窒素成分で a 当たり 2kg の CDU 配

抜かれてから，現在まで全国 2 位が続いている。このような背景

合肥料の土壌表面散布を行い，ウォーターカーテンパイプハウより，県を挙げて平成 24 年度から実施中の「栃木にら No.1 産地

スにて夜温 8℃確保し，地中に埋設した電熱線にて地中保温を開奪還運動」を支援すべく，農業試験場ではニラ新系統「ニラ栃木始した。収穫は，10 月 23 日，11 月 25 日，平成 28 年 1 月 6 日

5 号」を育成した。ニラ栃木 5 号は，従来品種と比べると。葉身に 3 回収穫し，収穫 3 回目のニラを検体（地中加温検体）に用部の幅が広く，収量が多い，品質が安定している等の有用な特性いた。また，別のパイプハウス内にて同条件で地中加温，高温があるが，最適な栽培技術の確立や成分的な把握はほとんど行わ

管理を行わず栽培した地中加温条件用の対照ニラ栃木 5 号（以れていない。

下，地中加温用対照）も検体に用いた。

そこで，ニラ栃木 5 号について地中加温が収量，品質に及ぼ

２．２ 高温管理栽培条件

す影響や，地中加温，ハウス内の高温管理栽培が含硫成分に及定植まで地中加温栽培と同条件で，ニラ栃木 5 号，ミラクル

ぼす影響，収穫後の加熱処理が一般生菌数，含硫成分に及ぼす

グリーンベルト（従来品種）を栽培し，12 月 24 日に捨て刈りを影響を評価し，最適な栽培技術，収穫後の加熱処理条件の確立行い，二重ハウスと小トンネルの三重保温にて保温を開始したを目的に研究を行った。

後，平成 28 年 1 月 28 日に収穫し，検体（以下，高温管理検体，
従来品種）として用いた。 また，別のパイプハウス内にて同条
件で地中加温，高温管理を行わず栽培した高温管理条件用の対照ニラ栃木 5 号(以下，高温管理用対照)も検体に用いた。

*

栃木県産業技術センター 食品技術部** 栃木県農業試験場 研究開発部－ 88 －

栃木県産業技術センター

２．３ 加熱処理試料の調製

研究報告

No.13（2016）

表２ 生育評価

ニラ約 10g をストマッカー用の袋に入れ，真空包装後 65℃，

検体

地中加温用対照

地中加温検体75℃の各熱水中に 30 秒間，1 分間，3 分間浸漬し加熱処理した重量（g/株）198258

検体を作成した。

茎数（本/株）

37.7

37.7

一茎重（g）

5.3

6.8

衛生試験法・注解に掲載の手法 に基づき，標準寒天培地（日

葉長（cm）

45.9

52.1

水製薬株式会社；標準寒天培地「ニッスイ」）を用いた混釈平板

葉幅（mm）

8.0

7.8

培養法により 35℃，2 日間培養し，一般生菌数を計数した。

葉色（SPAD）

55.4

50.9

２．５ 含硫成分分析

葉厚（mm）

1.1

1.1

２．４ 一般生菌数測定
6)

ニラの含硫成分として，メチイン，アリイン含量を高速液体クロマトグラフィー（HPLC）により分析した。ニラ原料の前処

３．２ 一般生菌数測定

理として，細切りにしたニラ 5g，90%メタノール 20ml をホモジネートし，氷冷しながら 15 分間超音波抽出した。3,000rpm で加熱処理した地中加温対照，地中加温検体の新鮮重当たりの一般生菌数を図１に示す。

10 分間超遠心分離し，上清 10ml を 38℃の湯浴に浸けエバポレ(a)ーターで減圧乾固し，超純水 2ml に溶解させ，0.45μm フィルタ
ーでろ過したものを HPLC 分析用試料とした。
表１に示したとおりと分析条件については前報 6)を参考とし，した。また，定量はメチイン標準品（コスモ・バイオ株式会社；(+/-)-S–Methyl–L–cysteine-S-oxide），アリイン標準品（和光(b)

試薬株式会社；アリイン(SH)）による絶対検量線法で行った。
表１ HPLC 分析条件装置

島津製作所社製 Prominence シリーズ

カラム

L-Column2 ODS(4.6×10mm, 4.6×150mm)

移動相

A:5mM 1-ヘプタスルホン酸ナトリウム含有

図１ 加熱処理後の一般生菌数（a）地中加温対照，（b）地中加温検体

0.01M リン酸緩衝液(pH2.5)
B:0.01M リン酸緩衝液(pH2.5)：アセトニトリ

検体間や加熱温度，加熱時間で大きな違いは見られず，加熱

ル＝１：１

前に比べて30秒間の加熱で約102CFU/gまで生菌数が減少してお0min(5%B)→5min(5%B)→15min(70%B)→25min

り，30 秒以上の加熱ではその後の生菌数の大きな減少は見られ(70%B)→25.01min(5%B)→35min(5%B)

なかった。この結果は，30 秒加熱した検体には耐熱性芽胞菌等

流速

1.0ml/minの熱水の温度範囲では死滅しにくい菌が多く残っているためと

カラム温度

40℃

推察された。乾燥前の 65℃，30 秒間の加熱処理で，乾燥後の生

注入量

10μl

菌数を 103 オーダーに抑えることが可能であることが示された。

PDA 検出波長

220nm

３．３ 含硫成分分析

グラジエント

各非加熱検体の新鮮重当たりのメチイン，アリイン含量を分３ 結果及び考察析した結果を図２に示す。

３．１ 生育評価
地中加温検体，地中加温対照の生育評価を行った結果を表２に示す。ニラ栃木 5 号は，地中加温条件で栽培することで，対照条件より葉色が薄くなる一方で，一株当たりの重量，一茎重，葉長が増加することが明らかとなった。したがって，ニラ栃木 5号は地中加温条件で栽培することで，収量が増加すると推察さ
図２ 栽培条件による含硫成分含量変化れた。

（黒：メチイン，灰色：アリイン）

ニラ栃木 5 号については，対照条件と比較し，地中加温条件－ 89 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

で栽培することでメチイン含量が低下する一方，高温管理条件
では，メチイン，アリイン含量が増加することが明らかとなっ４ おわりにた。また，高温管理検体と高温管理栽培の従来品種の含硫成分ニラ栃木 5 号は，地中加温条件で栽培することで，対照条件

含量を比較すると，高温管理検体のメチイン含量が高いことがと比較し，一株当たりの重量，一茎重，葉長が増加することが明らかとなった。

明らかとなり，収量が増加すると推察された。

加熱処理した各検体の新鮮重当たりのメチイン，アリイン含加熱処理による一般生菌数の変化については，加熱前に比べ量を図３に示す。ニラ栃木 5 号については，浸漬温度 75℃で，て 30 秒間の加熱で約 102CFU/g まで生菌数が減少し，30 秒以上

地中加温検体，地中加温用対照ではメチイン，アリイン含量が，の加熱では生菌数の大きな減少は見られなかった。この結果は，

高温管理条件検体と高温管理用対照ではメチイン含量が最も高30 秒加熱した検体には耐熱性芽胞菌等の熱水の加熱温度範囲でくなることが明らかとなった。また，高温管理検体と高温管理は死滅しにくい菌が多く残っているためと推察された。

栽培の従来品種を比較すると，浸漬温度 65℃ではメチイン含量

非加熱検体の新鮮重当たりのメチイン，アリイン含量を分析

が，浸漬温度 75℃ではメチイン，アリイン含量が高温管理検体

した結果，ニラ栃木 5 号については，高温管理条件で栽培するの方が高いことが明らかとなった。

ことで，対照条件や地中加温条件に比べ，メチイン，アリイン(a)

含量が増加することが明らかとなった。また，高温管理検体と(b)

高温管理栽培の従来品種を比較すると，メチインがニラ栃木 5号に多く含まれることが明らかとなり，非加熱検体において従来品種と比較したニラ栃木 5 号の優位性が示された。
加熱処理した各検体の新鮮重当たりのメチイン，アリイン含量については，高温管理検体と高温管理栽培の従来品種を比較すると，浸漬温度 65℃ではメチイン含量が，浸漬温度 75℃では
メチイン，アリイン含量がニラ栃木 5 号に多く含まれることが

65℃

65℃

75℃

75℃

木 5 号の優位性が示された。

(d)

(c)

明らかとなり，加熱検体においても従来品種と比較したニラ栃
本研究は，栃木県農業試験場との横断的共同研究にて実施されたものである。本研究にて得られた知見は，農業試験場と協力し，栃木県のニラ生産量増加，県産ニラの加工品としての需要拡大等に活用していく予定である。
参考文献
1) 農林水産省： "平成 25 年産野菜生産出荷統計"

65℃

65℃

75℃

75℃

2) 安東赫，池田英男： "ニラにおける収穫前後の吸収と転流",
園学雑, 75(4), 350-354,（2006）(e)3) 青葉高，伊東正： "ニラの地下部発達に及ぼ す日長と温度の影響（第１報）", Ｃ－光合成産 １４ 物の部位別分布と季節変化．園学要旨, 昭和 56 春, 198-199,（1981）
4) 前田安彦： "漬物学 その化学と製造技術", 幸書房,（2002）
5) 食品機能性の科学編集委員会： "食品機能性の科学", 株式会社産業技術サービスセンター, 267-282,（2008）6) 日本薬学会： "衛生試験法・注解 2005", 金原出版株式会社,

65℃

75℃

図３ 加熱処理検体の含硫成分含量

55-81,（2005）
7) 佐藤隆二，奥野裕子，稲葉幸雄，前野優哉，筒井達也，渡邊
恒夫： "栃木県産業技術センター研究報告 No.10", 107-109,（黒：メチイン含量，灰色：アリイン含量）（2013）（a）地中加温用対照，(b)地中加温検体，(c)高温管理用対照，(d)高温管理検体，(e)従来品種－ 90 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

経常研究

引張試験における表面粗さの影響
柳田

治美 *

阿部

雅*

大根田

明由 *

Influence of Surface Roughness in Tensile Test
Hiromi YANAGITA, Masashi ABE and Akiyoshi ONETA
鉄鋼材料の引張試験における表面粗さの影響を調べるために，特性の異なる２種類の材料：「JIS G
4051 機械構造用炭素鋼鋼材」で規定される S45C の丸棒素材と「JIS G 5501 ねずみ鋳鉄品」に相当す
るねずみ鋳鉄製連続鋳造棒（FC）の丸棒素材について，それぞれ表面粗さの異なる試験片の引張試験を行い，表面粗さが引張強さに及ぼす影響について調べた。ただし，引張試験の評価項目は JIS 規格を参考に，S45C については降伏点，引張強さ，伸びを，ねずみ鋳鉄製連続鋳造棒（FC）については引張強さのみを調べた。
その結果，S45C の降伏点と引張強さは，表面粗さが大きくなると低下する傾向であった。また，S45Cの伸びとねずみ鋳鉄製連続鋳造棒（FC）の引張強さについては，表面粗さの影響をほとんど受けなかった。
Key Words : 表面粗さ，引張試験，降伏点，引張強さ，伸び

１

はじめに

素材の形状は丸棒とし，S45C の直径は 28mm，FC の県南技術支援センターでは，依頼試験の一つとして直径は 30mm とする。ロットの違いによる特性の違いを

金属材料の引張試験を実施している。最も一般的な防ぐために，それぞれ１本の長い丸棒から全ての試験「JIS Z 2241 金属材料引張試験方法」による引張試験片を採取する。

においては，同 JIS 規格に示す各種形状の試験片を引２．２

張試験にかけている。

試験片形状

試験片形状は，「JIS Z 2241 金属材料引張試験方法」

ところが，同 JIS 規格には機械加工を施す試験片ので規定される試験片を用い，S45C については４号試験

表面粗さについては明確な規定がないので，どの程度

片，FC については８号試験片（種類：８Ｃ）とする。

の表面粗さまでが許容範囲であるのか，また，同一材

２．３

試験片加工

質同一形状で表面粗さのみ異なる試験片を引張試験に試験片は，NC 旋盤（森精機製作所製，SL-150Y）をかけたらどのような違いが生じるかなどを疑問に思っ用いて，試験片平行部と両端のつかみ部をワンチャッていた。

クで加工する。クーラントをかけながら切削を行い，そこで今回，材料特性の異なる２種類の鉄鋼材料

荒加工と仕上げ加工に分けて切削する。荒加工は，ノS45C と FC において，それぞれ表面粗さの異なる試験

ーズ半径 0.8mm のサーメット工具を用い，仕上げ代が片の引張試験を行い，表面粗さが引張強さに及ぼす影

0.4mm（試験片半径に対する仕上げ代。以下，切り込み響について調べることとした。

量も半径に対するものとする。）になるまで加工する。

なお，S45C と FC の規格については，次項に記す。

仕上げ加工は，ノーズ半径 0.4mm のサーメット工具を用い，0.2mm の切り込みで２回切削し試験片を加工す

２
２．１

研究の方法

る。

供試材

仕上げ加工の送り速度をパラメータとし，５種類〔①

供試材は，「JIS G 4051 機械構造用炭素鋼鋼材」でF0.1（毎回転送り 0.1mm で作製した試験片），②F0.2，

規定される S45C（以下，S45C）と，「JIS G 5501 ねず③F0.3，④F0.4，⑤F0.5〕の試験片を加工する。各種

み鋳鉄品」に相当するねずみ鋳鉄製連続鋳造棒（以下，類とも３本作製する。

FC）とする。
*

栃木県産業技術センター

県南技術支援センター－ 91 －

栃木県産業技術センター

２．４

研究報告

No.13（2016）

表面粗さの測定離れるほど測定粗さの方が大きくなる傾向にあった。

表面粗さ測定機（ミツトヨ製，SV-C624）を用い，試

これは，旋削中のわずかな振動（ビビリ）や加工面に

験片平行部の粗さを測定する。

生じるわずかなむしれ等の影響によるものと思われ，

２．５

0.3 (mm/rev) のときが最もバランスよく切削できた

引張試験

引張試験は，万能材料試験機（500kN）（東京衡機試

ものであると思われる。

験機製，YU-500SⅣ）を用いて，「JIS Z 2241 金属材料
引張試験方法」に基づいて行う。

３．１．２

なお，S45C については「JIS G 4051 機械構造用炭

表面粗さと降伏点の関係

図１に表面粗さと降伏点の関係を示す。

素鋼鋼材」を参考に，降伏点，引張強さ，伸びを調べ，
FC については，「JIS G 5501 ねずみ鋳鉄品」を参考に，引張強さのみを調べることとする。
３
３．１

結果及び考察

S45C

３．１．１

理論粗さと測定粗さ

表１に理論粗さと測定粗さの一覧を示す。
表１

理論粗さと測定粗さの一覧（S45C）

試験

送り

理論

測定

測定

片名

f

粗さ

粗さ

粗さ

(mm/rev)Rz(μm)

Rz(μm)Ra(μm)

F0.1－1

0.1

3.125

9.060

1.618

F0.1－2

〃

〃

8.653

1.526

図１では，F0.4 と F0.5 の各試験片の縦軸の値が似

F0.1－3

〃

〃

7.264

1.393

たような傾向であるが，グラフを全体的に見ると表面F0.2－1

0.2

12.5

19.8013.852

粗さが大きくなると，降伏点が低下する傾向であると

F0.2－2〃〃

20.125

3.762

いえる。F0.1 の降伏点の平均値に対して，F0.5 の降伏

F0.2－3〃〃20.0193.754

点の平均値は約 1.8％低下した。

F0.3－1

0.3

28.12528.7376.653

マイクロメータで試験片の直径を測る場合，試験片

F0.3－2〃〃27.0796.828

表面の凸部を両側から挟んで直径（丸棒の最大部分のF0.3－3〃〃29.1896.893

F0.4－10.4

5057.715

11.429F0.4－2〃〃60.28011.574F0.4－3〃〃56.751

11.441

F0.5－1

0.5

78.125105.584

20.728F0.5－2〃〃101.427

20.051

F0.5－3〃〃105.977

20.926

表１に示す Rz は最大高さ，Ra は算術平均粗さであ

図１

表面粗さと降伏点の関係（S45C）

直径）を測定するが，引張試験では試験片表面の粗さ曲線の平均値付近，または最大高さの中間付近の箇所で計算した直径が有効ではないのかと検討した。
そこで，全ての試験片において，マイクロメータで測定した直径から表面粗さ測定機で測定した最大高さ
Rz 値を差し引き，その差し引いた後の直径から引張強さを計算し，グラフに示したものが図２である。
図２の結果から，S45C の降伏点については表面粗さの影響を受けているものと思われる。

る。また，理論粗さ Rz の計算式は，次のとおりである。
Rz ＝ 1000 × f × f ÷ 8r
ただし，Rz (μm) は最大高さ，f (mm/rev) は旋削
工具の毎回転送り，r (mm) は旋削工具のノーズ半径（本研究では r＝0.4 ）である。
Rz の理論粗さと測定粗さを比較すると，送り 0.3(mm/rev) のときが最も近い値であり，それより上下に－ 92 －

栃木県産業技術センター

図２

直径補正後の表面粗さと降伏点の関係

図４

表面粗さと引張強さの関係（S45C）
３．１．４

図３に表面粗さと引張強さの関係を示す。

図３

No.13（2016）

直径補正後の表面粗さと引張強さの関係（S45C）
３．１．３

研究報告

表面粗さと伸びの関係

図５に表面粗さと伸びの関係を示す。

表面粗さと引張強さの関係（S45C）

図５

表面粗さと伸びの関係（S45C）

図３のグラフを全体的に見ると，表面粗さが大きく

図５において，全体の平均値は 26.7%であるが，平なるに伴い，引張強さが低下する傾向であるといえる。

均値に近いところに分布しており，伸びについては表

F0.1 の引張強さの平均値に対して，F0.5 の引張強さの

面粗さの影響をほとんど受けない結果であった。

平均値は約 1.8％低下した。
これは，前項で示した降伏点の低下の割合と同じであった。
そこで，前項と同様に検討し，全ての試験片におい引張試験のとき S45C は，表面の凹部から突然破断するわけではなく，材料が十分伸びてから破断するため，伸びについては表面粗さの影響を受けにくいものと思われる。

て，マイクロメータで測定した直径から表面粗さ測定機で測定した最大高さ Rz 値を差し引き，その差し引

３．２

いた後の直径から引張強さを計算し，グラフに示した

３．２．１

ものが図４である。

理論粗さと測定粗さ

表２に理論粗さと測定粗さの一覧を示す。

図４の結果から，S45C の引張強さについても表面粗さの影響を受けているものと思われる。

FC

Rz の理論粗さと測定粗さを比較すると，S45C の結果と同様に，送り 0.3 (mm/rev) のときが最も近い値であり，送りが 0.3 (mm/rev) より離れるほど測定粗さの方が大きくなる傾向にあった。

－ 93 －

栃木県産業技術センター

表２

研究報告

No.13（2016）

理論粗さと測定粗さの一覧（FC）

図６のグラフを全体的に見ると，表面粗さと引張強

試験

送り

理論

測定

測定

さの関係については多少のばらつきはあるが，表面粗

片名

f

粗さ

粗さ

粗さ

さが変化しても引張強さはほぼ一定であった。FC は降(mm/rev)Rz(μm)

Rz(μm)Ra(μm)

伏点に達する前に破断する材料であるため，表面粗さ

F0.1－10.1

3.125

13.5782.253

よりも材料特性の方が，引張強さに影響を与えるため

F0.1－2〃〃

14.672

2.116

であると思われる。

F0.1－3〃〃16.0802.206

F0.2－1

0.2

12.5

21.316

3.185

F0.2－2〃〃20.8333.256

材料特性の異なる２種類の鉄鋼材料 S45C と FC におF0.2－3〃〃20.454

3.130

いて，それぞれ表面粗さの異なる試験片の引張試験を

F0.3－1

0.3

28.12529.4965.604

行い，表面粗さが引張強さに及ぼす影響について調べ

F0.3－2〃〃29.3566.024

た。

F0.3－3〃〃29.821

6.545

F0.4－10.4

5060.01912.182

F0.4－2〃〃59.57911.903F0.4－3〃〃59.09311.890F0.5－1

0.5

78.12593.58520.564

F0.5－2〃〃92.29521.182

F0.5－3〃〃103.426

21.365３．２．２

表面粗さと引張強さの関係

図６に表面粗さと引張強さの関係を示す。

４

おわりに

得られた結果は次のとおりである。
（1）S45C の降伏点と引張強さは，表面粗さが大きくなると，低下する傾向であった。
（2）S45C の伸びについては，表面粗さの影響をほとんど受けなかった。
（3）FC の引張強さについては，表面粗さの影響をほとんど受けなかった。
謝

辞

本事業で用いた測定機の一部は公益財団法人 JKA の補助事業によるものであり，競輪マークを記して謝意
を表する。
参考文献
1) 日本工業規格 JIS Z 2241:2011 金属材料引張試験
方法2) 日本工業規格 JIS G 4051:2009 機械構造用炭素鋼
鋼材
3) 日本工業規格 JIS G 5501:1995 ねずみ鋳鉄品

本研究は，公益財団法人 JKA
補助事業により整備した機器
図６を活用して実施しました。

表面粗さと引張強さの関係（FC）－ 94 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

経常研究結城紬欠点要因の解析とその改善
小嶋 一夫*

吉葉 光雄*

太田 仁美*

Analysis of Textile Defect Factors and Improve the Quality for Yuki-tsumugi
Kazuo KOJIMA，Mitsuo YOSHIBA and Hitomi OTA
結城紬は，品質保証の目的から製織した反物の検査を実施し，合格品のみを流通させることとしているが近年不合格率が高くなりつつある。
こうしたことから，本研究では結城紬の検査における不合格につながる欠点を調査検証し，その発生要因を解析するとともに欠点をより少なくする製作工程の改善手法について検討し，結城紬の不合格率の低減による品質の向上を図ることを目的とした。
Key words: 結城紬，欠点，よこ段，たて筋

１ はじめに○たて糸 ・つむぎ手Ａ 軟らかい，太さむら：大結城紬は，真綿からつむいだ手紬糸を使用し，製作工程はほ・つむぎ手Ｂ 中程度，太さむら：大とんどが手作業である。また，製織後はその品質を保証する目○よこ糸 ・つむぎ手ａ 中程度，太さむら：中的から，原則として１５項目に及ぶ品質検査を受けることとな

・つむぎ手ｂ 硬い，太さむら：小っており，検査に合格したもののみが正規のルート，値段によ・つむぎ手ｃ 軟らかい，太さむら：大り取り扱われ，市場に流通している。

また，繊度はかせ状にした糸の長さと重さから算出し一方，不合格となったものは生産者が引き取らざるを得ず，正規品のような販売はできないため，生産者にとって不合格品

た。
２．１．２ 試織条件を出すことはその経営を危うくする大きな要因となっている。

結城紬のよこ段，たて筋の欠点は絣織物より無地のものに多こうしたなかで結城紬の検査における不合格率は，近年，高く生じることから，今回の試織ではたて糸，よこ糸を同浴で染1)くなる傾向にあり ，いかに不合格品を出さないようにするか，色し，茶色系の濃淡２種の無地織物を製織した。

減らせるかが生産現場における大きな課題となっている。

なお，たて糸には製織前に２回糊付けを行った。

こうしたことから，本研究では結城紬の検査における不合格につながる欠点を調査し，その発生要因を解析するとともに欠今回の検証のための試織条件は次のとおりである。
○製織

点をより少なくする製作工程の改善方法について検討し，結城・織機

紬の不合格率の低減による品質の向上を図ることを目的とした。

地機・筬密度 平 17 算(63 羽/3.8 ㎝)○染色

なお，今年度は，欠点理由のうち主によこ段，たて筋につい・たて糸て検証を行った。

染料（配合比）ラナクロンブロンＧＬ（９）イルガランカーキＧＬ(200)（１）２ 研究の方法

濃度（濃茶：①） 2.0％ o.w.f

２．１ 使用糸・試織条件（淡茶：②） 0.3％ o.w.f

２．１．１ 使用糸・よこ糸結城紬欠点への手紬糸の太さむらや糸質の違いによる影響を

染料・濃度 たて糸と同様調べるため，通常結城紬の無地類に使用されるつむぎ手の異なる糸をたて糸２種，よこ糸３種用意した。
なお，各手紬糸の見掛け上の特徴は次のとおりである。

*

なお，試織に用いた各々のつむぎ手の染色糸呼称とその繊度を表１に示す。

栃木県産業技術センター 紬織物技術支援センター－ 95 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

表１ 染色糸呼称と使用糸繊度

２．３ 試織生地の欠点判定

染色糸呼称

繊度(ﾃﾞﾆｰﾙ)

たて糸 ①-Ｔ-１ 濃茶 つむぎ手Ａ

141.0①-Ｔ-２ 濃茶Ｂ

156.5②-Ｔ-１ 淡茶Ａ

157.1②-Ｔ-２ 淡茶Ｂ

161.7

よこ糸 ①-Ｙ-１ 濃茶 つむぎ手ａ117.8①-Ｙ-２ 濃茶ｂ

100.1①-Ｙ-３ 濃茶ｃ

146.8②-Ｙ-１ 淡茶 つむぎ手ａ116.1②-Ｙ-２ 淡茶ｂ

94.6②-Ｙ-３ 淡茶ｃ127.2

よこ段，たて筋の判定については，本場結城紬の検査法に準じ，目視により熟練製織者３名で行った。
３ 結果及び考察
３．１ 繊度差（つむぎ手の違い）によるよこ段，たて筋の試織検証
３．１．１ よこ段
つむぎ手の異なる３種のよこ糸の繊度差とこの糸を用いて製織した織物の色差を表３に示す。
表３ よこ糸の繊度差

また，試織生地の糸の配列等は図１のとおりである。
たて糸 ２種×２色

よこ糸

①-Ｙ-１

①-Ｙ-２

①-Ｙ-３

糸の繊度差

基準

-17.7

+29.0

織物色差

基準

3.35

0.14

〔淡茶〕

②-Ｙ-１

②-Ｙ-２

②-Ｙ-３

糸の繊度差

基準

-21.5

+11.1

織物色差

基準

0.50

2.34

３種×２色

耳

耳

色 ①

たて糸
配列

〔濃茶〕

Ｔ-1

色 ②
Ｔ-2

Ｔ-1

Ｔ-2

濃茶部の糸の繊度差は，①-Ｙ-１を基準とした場合，①-Ｙ-

Y-3
Y-2

２との差より①-Ｙ-３との差の方が大きいが，織物の色差は小Y-3さくなっている。これは色彩値へのたて糸の影響が考えられる。

Y-1

この部分の目視判定では，①-Ｙ-１：①-Ｙ-３間によこ段は見られないが，①-Ｙ-１：①-Ｙ-２間及び①-Ｙ-２：①-Ｙ-３間

Y-2
Y-1

色②

Y-3

ではよこ段が生じており，色差の程度評語のとおりとなっている。

Y-2

淡茶部では，濃茶部ほど糸の繊度差が色差の違いとなってはY-3いない。色差の最も大きいのは，②-Ｙ-１：②-Ｙ-３間である

Y-1

が目視ではよこ段は見られないことから，淡色ではよこ段等の

Y-2
Y-1

色①

欠点が目立ちにくいと思われる。
３．１．２ たて筋

よこ糸

つむぎ手の異なる２種のたて糸の繊度差とこの糸を製織した

織り始め織物の色差を表４に示す。

図１ 検証用試織生地の織り方

表４ たて糸の繊度差
〔濃茶〕

①-Ｔ-１

①-Ｔ-２

よこ段，たて筋が発生する原因を調べるため，試織に使用し

糸の繊度差

基準

+15.5

た染色糸や製織した織物表面をコニカミノルタ製分光測色計

織物色差

基準

3.07

CM-1000 で測色し，色差⊿Ｅ*ab を求めた。

〔淡茶〕

②-Ｔ-１

②-Ｔ-２

糸の繊度差

基準

+ 4.6

織物色差

基準

1.20

２．２ 色差測定

なお，色差の程度に関する評価は表２のとおりである。
表２ 色差の程度の評語

2)

評語

色差（⊿E*ab）

きわめてわずかに異なる

0 ～ 0.5

たて糸は，繊度差があるほど色差も大きくなっている。濃茶

わずかに異なる

0.5 ～ 1.5部では２種の糸の織物色差は３以上あり，評語では「著しく異相当に異なる1.5 ～ 3.0なる」に該当するが２種の織物の境目では目視判定ではたて筋

著しく異なる3.0 ～ 6.0になっていない。また，淡茶部にも境目でのたて筋は見られな

きわめて著しく異なる

6.0 以上い。しかし，同一つむぎ手の糸を使用して織った部分に細かな－ 96 －

栃木県産業技術センター

たて筋が認められることから，たて筋にはつむぎ手の違いによ

研究報告

No.13（2016）

今回試織した検証用織物を写真１に示す。

る繊度差より，同一つむぎ手の糸の太さむらの方がより大きく反映するものと思われる。
３．２ 同条件染色糸の色差による試織欠点検証
３．２．１ よこ段
同一の染色浴で染色した３種のよこ糸の色差とこの糸を製織した織物の色差を表５に示す。
表５ よこ糸の色差
〔濃茶〕

①-Ｙ-１

①-Ｙ-２

①-Ｙ-３

染色糸色差

基準

7.61

0.97

織物色差

基準

3.35

0.14

〔淡茶〕

②-Ｙ-１

②-Ｙ-２

②-Ｙ-３

染色糸色差

基準

2.31

0.45

織物色差

基準

0.50

2.34
濃茶

濃茶部では，染色糸の色差が大きいほど織物での色差も大き

淡茶

写真１ 検証用織物

くなっており，織物色差が３以上である①-Ｙ-１：①-Ｙ-２間にはよこ段が生じている。

４ おわりに

淡茶部では，染色糸の色差と織物の色差の大小が逆になっているが色差の値は濃茶の①-Ｙ-２ほど大きくなく，目視による
よこ段も確認されなかった。

結城紬の織物欠点として多く発生するよこ段，たて筋について，つむぎ手の異なる糸をたて・よこに用いて製織し，検証を行った。

３．２．２ たて筋

その結果，よこ段，たて筋のない織物とするには，糸むらのよこ糸と同じ条件で染色した２種のたて糸の色差とこの糸を製織した織物の色差を表６に示す。

少ない，ひとりのつむぎ手の糸をできるだけ使用するのが望ましいことが改めて確認できた。

たて糸方向については，濃茶では糸の色差と織物になった時の色差はほぼ同じであるが，淡茶では染色糸の色差に比べ織物色差が非常に小さくなっている。この理由は明確には解らないが，今回使用した糸の中で淡茶のたて糸が 160 デニー

今後は，よこ段，たて筋の発生を抑えるための製織準備工程
や製織作業等の見直しを進めるとともに糸質の均一な糸を確保するためのつむぎ手の育成を図ることが，結城紬の品質向上には重要であると考えられる。

ルと最も太く，また，よこ糸は 100 デニール前後と細いことが関係していると考えられる。

参考文献

表６ たて糸の色差

1) 本場結城紬検査協同組合："検査実績報告書"，（2014）

〔濃茶〕

①-Ｔ-１

①-Ｔ-２

染色糸色差

基準

3.26

織物色差

基準

3.07

〔淡茶〕

②-Ｔ-１

②-Ｔ-２

染色糸色差

基準

11.09

織物色差

基準

1.20

2) 日本色彩学会："新編色彩科学ハンドブック"，244，東京大学出版会，(1985)
3) 中野睦子ほか："茨城県工業技術センター研究報告"，№37，
54，(2009)
4) 中野睦子ほか："茨城県工業技術センター研究報告"，№38，
30，(2010)
5) 小嶋一夫ほか："平成 6 年度栃木県紬織物指導所業務報告"，

目視による織物全体のよこ段，たて筋の状況を見るとよこ
段は，濃茶部では異なるつむぎ手のところで多く見られると

15，(1995)
6) 小嶋一夫ほか："平成 7 年度栃木県紬織物指導所業務報告"，ともに同じつむぎ手の糸の部分にもよこ段が発生している。
これに対し，淡茶部ではほとんどよこ段は見られない。
また，たて筋については，２種の糸の境目より同一のつむぎ手の糸で織ったところに細かな筋状が生じている。

－ 97 －

13，(1996)栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

経常研究

貝殻再生資源を利用した益子基礎釉の開発
山ノ井 翼*

興野 雄亮*Development of Mashiko Basic Glaze Using Shell Recyclable Resources
Tsubasa YAMANOI and Yusuke KYOUNO
従来，廃棄ホタテ貝殻の多くが有効活用されずに何十万トンもの貝殻が累積した状態となっている。
そこで本研究では，ホタテ貝殻を再生利用した益子基礎釉の開発を行い，釉薬としての実用性について検討した。この結果，ホタテ貝殻の窯業原料としての基礎データを明らかにし，貝殻粉を用いた基礎釉として透明釉とマット釉の調合方法を確立した。また，この基礎釉を施釉した試作品を作製し，釉薬としての実用性を確認した。
Key words: ホタテ貝殻，再生利用，窯業原料，益子基礎釉

１ はじめに

戸長石の二種類，調合量 5g として，ホタテ貝殻粉の割合を 0%

ホタテ貝は年間約 52 万トンが北海道・東北で産出され，それ～100%まで 10%刻みで調合した。調整は乳鉢で行い，表１の条件に伴う貝殻が産業廃棄物として年間約 21 万トン廃棄されていによりテストピースを作製した。焼成は電気炉（モトヤマ製

る。一部は公共事業等で有効利用されているが，多くはそのま

SC-2035D）で行った。

ま廃棄され何十万トンもの貝殻が累積した状態となっている。
一方で，20 年程前から貝殻の機能性についての研究も行われて

表１ テストピース作製条件

おり，処理方法によって抗菌，消臭，VOC 軽減等，様々な機能性

テストピース益子水簸土 半球型（35mmφ）

が確認されていることから，環境を配慮したエコ商品も多く製

焼成条件

1280℃（SK9）酸化雰囲気

1)

品化している。 また，益子焼をはじめとする県内の陶磁器業界
も消費者ニーズの多様化が進み，多色化や高光沢等，付加価値

２．２．２ ゼーゲル式調合試験のある釉薬の開発が期待されている。

表２のゼーゲル式を用いた調合計算による福島長石，鼠石灰，

そこで，本研究ではホタテ貝殻を再生利用し，環境を考慮し関白カオリン，福島珪石からなる既存の石灰透明釉について，た益子基礎釉の開発を行い，釉薬としての実用性を検討した。

鼠石灰をホタテ貝殻粉に代替した調合を行った。調合量 5g として，Al2O3 を 0.1mol 刻み，SiO2 を 1.0mol 刻みで調合した。テス

２ 研究の方法

トピースの作製は２．２．１と同様に行い，さらに鉄砂と呉須

２．１ ホタテ貝殻の基礎データ評価のマーキングを加えて発色の確認も行った。

使用原料であるホタテ貝殻粉（カルチャンパワー;㈱NR エンジ
ニアリング製 粒径 1mm）について，熱分析装置（TG-DTA；㈱ブ

表２ 調合ゼーゲル式

ルカーエイエックス製 TG-DTA2000）により熱物性評価を，X 線

0.20 KNaO

回折装置（XRD;㈱リガク製 RINT-2550）により結晶構造解析を，0.80 CaO

0.3～0.7 Al2O3

3.0～7.0 SiO2

蛍光 X 線分析装置（WDX;㈱リガク製 ZSX PrimusⅡ）により成分分析を行った。

２．３ 試作品評価

２．２ 益子基礎釉の調合試験

２．２．２で作製したテストピースの中で，釉調が透明光沢，

２．２．１ 二成分調合試験

マットの調合について，調合量 50g として鉄砂と呉須をマーキ

ホタテ貝殻粉と代表的な釉薬原料の一つである長石を用いングした五寸平皿に施釉し，表１にある焼成条件で試作を行って，二成分調合を行った。前処理としてホタテ貝殻粉を 1000℃た。比較品として，鼠石灰を用いた既存の調合でも同様に試作で仮焼し，自動乳鉢で微粉砕した。用いた長石は福島長石，釜

を行った。

*

栃木県産業技術センター 窯業技術支援センター－ 98 －

栃木県産業技術センター

３ 結果及び考察

研究報告

No.13（2016）

す。貝殻粉割合の増加とともに，失透～透明～マット～不溶と

３．１ ホタテ貝殻の基礎データ評価

釉調が変化し，鼠石灰と同様に Ca 成分が多くなると釉が溶けな

ホタテ貝殻粉の熱分析の結果を図１に示す。
TG 曲線から600℃～800℃にかけて質量変化が見られ，約 50%の質量減が示された。

くなることが分かった。この結果より，釉薬として実用的な使用範囲は貝殻粉の割合が 40%程度までと考えられる。

また，DTA 曲線から 750℃の前後において水分の蒸発による吸熱反応と，CO2 の燃焼による発熱反応が見てとれる。次に，X 線回折結果を図２に示す。検出された回折パターンから，仮焼前はCalcite（CaCO3），仮焼後（1000℃）は Lime（CaO）の結晶相であると同定された。これらの結果より，ホタテ貝殻粉は仮焼す

図３ 長石－貝殻粉二成分調合結果ることにより炭酸カルシウム（CaCO3）から酸化カルシウム（CaO）
へ構造変化し，一般的な石灰と同等の性質を示すことが分かった。さらに表３に示した蛍光 X 線分析の結果からも，Ig.Loss（強熱減量）を除き主成分はカルシウムであることが示された。

図１ TG-DTA 熱分析結果(a)仮焼前(a)貝殻粉(b)仮焼後

図２ X 線回折分析結果(b)鼠石灰図４ ゼーゲル式調合結果

表３ 蛍光 X 線分析結果
Components[wt%]
CaO

SO2

MgO

Na2O

P2O5

OthersIg.Loss

56.4

0.20

0.15

0.14

0.10

0.26

42.75

３．２．２ ゼーゲル式調合結果
表２のゼーゲル式を用いた調合計算により，ホタテ貝殻粉，長石，カオリン，珪石から成る石灰透明釉を調合した結果を図

３．２ 益子基礎釉の調合方法の確立

４(a)に示す。Al2O3 と SiO2 の mol 比により透明，マット，失透，３．２．１ 二成分調合結果

不溶，と釉調が変化し，図４(b)に示す鼠石灰を用いた既存の調

ホタテ貝殻粉と二種類の長石の二成分調合の結果を図３に示合と同等の釉調を示した。この結果から，実線エリアが透明光－ 99 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.13（2016）

沢釉，破線エリアがマット釉として実用的であると判断でき，

３．３ 試作品評価

これら二種類の釉薬についてホタテ貝殻粉を用いた調合方法を３．２．２で述べたゼーゲル式調合結果より，Al2O3=0.5，
SiO2=3.0 の調合を透明光沢釉として，Al2O3=0.7，SiO2=5.0 の調確立することができた。

合をマット釉として，ホタテ貝殻粉と鼠石灰について試作品を作製した結果を図５及び６に示す。これらの結果について窯業
技術支援センター研究生 5 名に検証を求めたところ，両者を比較して，透明光沢釉においては貝殻粉のほうがより光沢が強く
鉄砂と呉須の発色が良いという評価を得た。また，マット釉においては貝殻粉のほうがより白色が強いという評価を得た。これらのことより，透明光沢釉とマット釉について貝殻粉を用いた釉薬としての実用性が示され，本成果の業界への普及を図る
貝殻粉

鼠石灰

図５ 試作品（透明光沢釉）

ことで，釉薬使用時における原料の選択肢を増やすことにつながると考えられる。
４ おわりに
ホタテ貝殻粉について，釉薬原料としての実用性を検討し，以下の結論が得られた。
（1）ホタテ貝殻粉は各種分析において,一般的な石灰と同等の性質を示した。
（2）基礎釉のうち透明光沢釉とマット釉について，貝殻粉を用いた調合方法を確立した。
（3）透明光沢釉とマット釉を施釉した試作品を作製し，釉薬と貝殻粉しての実用性を示した。

鼠石灰

図６ 試作品（マット釉）
参考文献（2002）
1) 小山信次ら： "未来材料"，第 2 巻 4 号，43-51，－ 100 －

平成２７年度

栃木県産業技術センター研究報告
第１３号
Reports of Industrial Technology Center of Tochigi Prefecture
No.13 (2016)
発

行

発行所
〒321-3226

平成 28 年 8 月 9 日
栃木県産業技術センター
栃木県宇都宮市ゆいの杜 1-5-20
ＴＥＬ（028）670-3391
ＦＡＸ（028）667-9430

ISSN 1349-2608
平成二十七年度

No.13(2016)栃木県元気ニコニコ室長

とちまるくん

平成２７年度研

究

報

告Reports of Industrial Technology Center of Tochigi Prefecture
研
究報
告— 発信します

明日を拓く

確かな技術 —

栃木県産業技術センター

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