日本包装学会誌’'０Ｌﾙﾘﾊﾉo､２（2005ノ

般論文「ヒートシールの数量化管理の研究」[第１報］：溶着面温度の直接測定法［"ＭＴＭＳ,,］の開発
菱沼一夫＊

StudyofQuantativeControlforHeatSealingTechnoIogy
nstReport］DeveIopmentofMeasuringMethodforTemperatureof
MeltingSurface；“ＭＴＭＳ”

Kazu〔)ＨＩＳＨＩＮＣＭＡ．

プラスチックの包装材料の利用にはヒートシールは不可欠な技法である。ヒートシールの完成には「温度｣、「時'３１｣、「圧力」が基本要素とされている。股も基本となる「温度」は溶着面の温度の計測が要求されているが、その計測法は確立されていなかった。
本研究は、12-45浬､○の微細なセンサーを溶着面に挿入して、溶蒜面温度を直接測定する技法の開発に関するものである。研究の結果、温度；0.1°Ｃ、測定速度分解能；0.01秒の性能を持った「溶着面温度測定法」の開発に成功した。

溶着面温度測定法の開発の成果は、他の２つの要素の「時間｣、「圧力」の適正化の評価にも週１Nが可能である。

キーワード：溶着面温度測定法、溶着面温度、ヒートシール、微細センサー、圧蒜ギャップ
Inordertouseplasticsaspackagingnlaterials・theheatsealingisanindispensabletechnique．
.､Tenuperatureo,．“time.､ａｎｄ勢pressurearethebasicelementstobringtheheatsealingtocomple・
tion、ＩｎｔｈｅｃａｓｅｏＩ“temperature輌whicbisthenIostbasic，themeasurenlentofthetemperatureol

themeltingsurIaceisrequired・However,themeasurementmethodhasnotbeenestablishedlnthispaper、thetechniquetomeasurethemeltingsurIacetemperaturedirecdybyinserting
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ＭbnsMriDzgMblh0WbrTE,nPP”1M"q/Ｍ､ﾉﾉi)lgSIIZ/ｍｅ；.ＭＴＭＳ'，ｗｈｉｃｈｈａｓthetemperatureaccuracv
oI0.1℃andthemeasurementspeedresolutionperformanceinOOO1secondshasbeenestabIished・Ｔｈｅ、ethodfOrtheevaluationofthemeltingsurfacetemperaturecanalsobeapp1iedtotheevaluationoltwootherelements，mtimeo，ａｎｄ`‘pressure、
0９

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：``ＭＴＭＳ,.,ＨｅａｔSeaLMeltingSurlaceTemperature､MimuteSenser,PressingGap､菱沼技術士事務所（〒212-0054川崎市幸区小倉1232）：

ＨＩＳＨＩＮＵＭＡＣＯＮＳＵＬＴ１ＮＧＥＮＧＩＮＥＥＲＯＦFICE12320guraSaiwai・WardKawasaki212-OO54JapanE､mail：RXP10620＠nifty､nｅｊｐ－１１９－

｢ヒートシールの数撮化管理の研淘

1．緒言(2)確実な信頼性の保証を提示できない。

(3)条件設定に大量の資材、手間、時間を要
1.1本研究の概要している。

プラスチックの包装資材は機能性、取り扱(4)更に製品の歩留まり、安全率を高くする

い･性、コストの面から今日の日常生活の合理ために資材の高級化等のコストアップにも化に多大な貢献をし、不可欠なものとなってなっている。

(5)ヒートシールのHACCP、「悪戯防御」

きている。

プラスチック資材を利用した容器や袋の製

袋と封鍼に適用されているヒートシール技法の要求に対応できる理論確立ができない。

等の課題を内在している。
実際的にはは、分子レベルの溶着が簡易な技法で達成できて、気密性と微生物侵入の制御がほぼ完壁(1)実際の設備の長時間の生産休止に稼働率
ロス（品種毎）に達成出来る機能を有している。このために(2)数千回に相当する大量のテスト資材の消は、接着面の確実な溶着を必要としている。

費ロス

通常に製造されたプラスチックの熱特性の(3)テスト運転とテスト結果の人手評価（観再現性は非常に高い。

察評価）

随って、定量的に管理されたヒートシール
技法の環境下では仕上がったヒートシールは(4)溶着面の温度が直接の管理になっていな
いので、加熱条件は高めに設定することに同様に高い信頼性が期待できる。
ヒートシールの制御要素として、「温度｣、なり、ヒートシール部分に熱ダメージを与えることが多い｢時間｣、「圧着力」が広く知られている。

主制御要素である「温度」に対する定義は、(5)多層フイルムの接着層に対する熱ダメー

ジの考慮ができない

材料設計の立場からは、溶着面を「溶融温度」に確実に達成させることであるにもかかわら(6)“イージーピール”のような層間剥離をず''、世界的に観ても数十年の間､加熱体(加熱源)の出力調節に依存した“間接的な方法”

計画的行わせる制御が困難(7)運転状態の定量管理ができないので顧客に対するシール保証契約ができないで条件設定が行われている。

溶着完成の確認は、現場の製造設備の生産(8)ヒートシールの品質管理が定量的にマネを中断して、運転速度と加熱温度を変化させージメントできないので何時も不安が付きて得られたヒートシールサンプルのヒートシまとう。

ール線に「引き裂き｣、「加圧」等の応力を加(9)包装設備に設計、製作にヒートシール条

えた剥離、破れ状態の事後検査測定／観察で件の仕様が定量的に提示されないので、製

評価2）３）している。

造条件の事前確認ができず、製造立ち上げ
に苦労する

このために

(1)材料の持つ固有の性能を確実に発揮させの課題が存続している。

本研究はプラスチック資材のヒートシール

られない。

－１２０－

日本包装学会誌Ｖｏｌ】イＮＯ２（2005）

加工の際の溶着面温度を直接測定する方法の依然として不可欠である。

開発を基にヒートシールシールのメカニズム

筆者はこれらの課題に鑑み、実際の溶着面の理論的解明を図り、プラスチック資材の有に微細センサーを挿入して、リアルタイムで効利用に貢献しようとするものである。

の溶着面温度を測定、解析する方法「溶着面温度測定法；“MTMS1，」を研究・開発した')。

以下に分割して報告する。

［第１報］：溶着面温度の直接測定法
2．理論［"ＭTMS､,］の開発［第２報］：包装材料毎の溶着温度の確定法
2.1ヒートシールの方式と特徴の開発

ヒートシールは結晶性プラスチックの熱可［第３報］：「溶着面温度測定法」；“ＭTMS”

逆`性を利用した分子間接合技術である。

による従来法の定量化検証

本研究の基本である溶着面温度の測定法にヒートシールの完成にはヒートシーラント｢溶着面温度測定法」ず“ＭTMS.,と名付けた。

(溶着層）に適正な加熱を行うことが必要で［溶着面温度測定法］；‘ＭTMS”は溶着面ある。ヒートシールの各加熱方式別に方法、に１０～40ｍ○の微細センサを挿入して溶着加熱原理、特徴と用途をまとめると表１のよ面の温度を直接測定し、この情報を元にヒーうになる。

トシールのあらゆる解析と制御法の開発を可

溶着面のみを選択的に加熱する方法があれ能にした。本報では、最も普及しているヒー

ば表層の熱伝達の影響を受け難く都合がよい

トジヨー（HeatJaw）によるケースを例にしがあらゆる条件を満足する方法はなく、材料て論ずる゜

構成、用途に応じた方式選択が必要である。

【脚注】［"ＭTMS”；MeasuringMethod[or2.2ヒートシールの熱流と温度分布

TemperatureolMeltingSurlace］

包装材料の表層から加熱する方法の熱流と包装材料内の温度分布のモデル化したものを

1.2（第１報）の概要
ヒートシール技法の重要な点はと_トシー
ラントを所定の溶融温度に確実に到達させる

図１に示した。（a）は両面同一温度の場合、(b）は片面加熱を示した。

ことであるが、従来この理論的な検証方法が同一温度の両面加熱の場合は熱流が溶着面見出せなかったので加熱源の温度や超音波加に向かい溶着面が最低温となり、片面加熱の熱、電磁加熱の場合は電気出力等の間接的方

場合の熱流は非加熱側に向かって通過するの法によってヒートシール条件を決めていた。

で、非加熱面が最低温となるような分布を成これらの方法は適正調節範囲の制御性能がす。温度分布は圧着後の時間経過とともに低かったので、包装材料側ではヒートシール

表層と溶着面は温度差を持ちながら上昇する。

の加熱温度帯がなるべく広くなるような考慮

温度傾斜は加熱温度、包装材料の厚さと熱伝がなされてきた')。しかし、ヒートシールの導特性によって決まる。

確実な達成には溶着面温度の直接測定Q情報は－１２１－

両面加熱はヒートバー、電界シールの場合

ノヒートンールの数擶化轡潔のlUIBfij

TabIelKindandCharacteristicsofHeatSealTechnology
HeatiI]［ SurIbUce

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以上述べてきた方策を確認、達成するために相当する。片面加熱はインパルス、インダには個々の加熱方法による溶着面のリアルタ

クションシールの場合に相当する。

イムの温度応答を測定検証する必要がある。

超音波、熱風加熱は複合型である。
両面加熱の場合でも加熱温度が同一でない

特に片面加熱においての適正加熱条件は過場合は、圧着直後は両面加熱の熱流が起こり

渡応答状態のある範囲を選択する必要があり、ある境界で温度が同一になると以降は片面加溶着面温度計測が不可欠である。

熱の熱流となる。

－１２２－

日本包装学会誌Ｉ／ＯＬＩ４Ｎ０２（200,

ル強さ”のデータは測定条件が汎用化されて2.3包装材料の種類と加熱方法の選択

表層から加熱すると、その温度分布は図１

いないので、ヒートシール装置が異なる現場に示したように、両面加熱では両面、片面加でのシール条件の設定には適用しにくいもの

熱の場合は加熱側の表層は最も高温になる。

であった。

単一フイルムの場合には表層から溶融状態

更に加熱ジョー（バー）の温度調節と被加になりヒートシール面を溶融状態にするため

熱面の温度との関係は、調節用の温度センサには表層部も液状になる。両面加熱の場合

ーの取り付け位置や周囲温度、気流等の運転

は、ヒートシール面が液状化した包装材料は環境で変動する要因も付加される。
実際には、溶着面温度で５－１０℃の調節条

工業的な取り扱いは困難になる。

単一フイルムをヒートシールするのには溶件が要求される。高速系のヒートシールでは、融状態にならない基材が必要であるので、片数百｡C/Sec、－１００．C/Sec・の割合で上昇す

面加熱方式の選択によって一方の液状化を防る高速な温度傾斜の途中の約２０℃程度の温御することが不可欠である。

度幅の中で、繰り返しの圧着加熱制御をしな表層部にヒートシーラン卜より溶融温度のければならないので、圧着時間は0.01秒程

度の時間精度を要求されている。

高い材料を張り合わせる（ラミネーション）
ことにより表層部の液状化を防ぎ、基材部は確保できるので、両面加熱の高速性を有効に

従来の技術では個別の加熱温度／圧着時間の定義と設定が困難であった。

利用することができる。
2.5ヒートシールのシミュレーション回路

2.4従来法の課題による従来法の不具合の解明

従来のヒートシール調節は（加熱バー方式
では）加熱バーの温度調節が条件設定の指標

加熱体や熱伝導系の解析に電気回路の過渡現象解析法が古くから使われている5)。

となっている。材料が替わるとその都度、ヒートジョー方式の加熱系と被加熱包装材

実際の機械を長時間生産休止し、実際の材料

料の熱伝導を含めた代表的要素の等価回路をを使い封鍼し、ヒートシールテストのために

図２に示した。この等価回路からも分かるよ

大量の材料と人手を使い、加熱バーの温度

うにヒートシール系の熱伝導系は相互干渉系と圧着時間の広範囲の変更の運転条件で得らである。すなわち系の一部に変動（外乱）がれた溶着サンプルを引っ張り試験2）３）よる

あると各部位の温度値は干渉変動を起こす。

ヒートシール強さと観察による間接的な検査

従来法はヒートバーの温度を調節しているので評価している。

で、温度検出点以降の熱流点では従属的な温従来の方法では、キーとなる溶着面温度の度分布となる。ヒートシールマネージメン

情報がないので、剥れシール（PeelSeal）やトは被ヒートシール包装材料の溶着面の温度

破れシール（TearSeaD4）の識別や発生原因

を所望の温度範囲内に、設定した時間内に到の究明は困難である。

達させることである。

資材メーカーの提示している“ヒートシー－１２３－

図２のシミュレーションから見ても分かる

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Fig2SimuIationCircuitForHeatSealofHeatingJaw

ように溶着面温度は加熱伝導系の多くの外乱研究／開発方法を次に論ずる゜の影響を受けることが分かる。少なくとも包装材料の固有の特性のみに依存する制御系の３．１溶着面温度の直接測定法の開発の課題構築が要求される。この論理に基づけば、ヒ

微細な溶着面の温度測定に要求される課題

ートバーの表面温度と溶着面温度の関係の把を列挙すると次のようになる。

握が出来れば、表面温度の制御／モニターに（１）ｌＯ－５０ｌＵｍの微細部分の温度測定

よって、他の外乱の影響を消去でき、包装材（２）センサーの挿入による熱伝導系の熱伝導の遅延と撹乱の極小化

料毎のヒートシール特`性が把握でき測定情報（３）高感度温度検出（＝0.1℃）の汎用化ができる。

（４）高速測定（－１０，ｓｅｃ以下）

3．実験
3.2測定機材の開発

課題を具現化するために各要素の開発／研ヒートシールの定量的な管理には実際の状態の溶着面温度の直接測定が不可欠であるこ究を次の方法で行った。

とが分かった。溶着面温度の直接測定法の－１２４－

f１本包装学会誌ＶＯＬＩ４ノVｏ２（2005ノ

更にデータをコンピュータの処理するため

3.2.1センサーにＡ/Ｄ変換機能を付加した。

微細部分の温度計測に適用できるセンサー

取り扱う温度レンジを常温-250℃とする

としては、（１）熱電対と、アナログレベルの分解能を保証するため（２）サーミスタには、少なくとも４桁のデジタル演算機能がの採用が考えられる。

要求される。このためにはＢＣＤ系のデータ

熱電対は温度／電圧変換素子で金属の固有特性で温度／電圧が決まるので素子間の互換性能が非常に高い。しかし変換感度は小さく(-0.04ｍＶ/1°Ｃ)、高感度の直流増幅が必要

処理では、ｌ６ｂｉｔが要求されることが分かっであり、出力の電圧信号の処理が大変である。

料の熱応答特』性、加熱体の表面の斑等の関連

他方サーミスタは温度／抵抗変換素子であ周辺情報を収集できると共に、微細部分の温る温度／抵抗の変換は対数状に変化するので度測定方法としても使える機能を有している。

感度は高い。しかし初期抵抗値を同一に製作

採取データの時間軸の信頼性を保証するた

た。

3.2.3データ蓄積と伝送

本研究の溶着面温度の直接測定方法は、材めには解析範囲のデータは少なくとも200ケするのが困難で互換`性に難がある。
本研究では、熱電対のクロメル／アルメル(0.5％）を通常的に要求される。測定データ(ＣＡ＝"K"）を採用して、市場から手に入るのコンピュータへの送信、格納機能を付加し素線（13.25.45Jumの）を研究者の自作によ

データ保存の自動化を図った゜

ってセンサーを細工した。

3.2.4処理ソフトの開発

１つの測定では少なくとも200ケ以上のデ

3.2.2温度計（増幅器）の選択
熱電対（ＣＡ＝"K，'）の出力電圧は-0.04

ータが収集される。

ｍＶ/1℃である。0.1℃の分解能を得るため

このデータを情報化するためには、加減乗には､少なくとも０．０５℃の感度が必要である。

除の演算やデータ移動、グラフ等の作図操作

これは電圧にすると２Ｗ（2×１０~6Ｖ）になる。

が必要である。本研究では、マイクロソフト

このためには安定したｌ２０ｄｂ以上の高感度社のEXCELベースでのデータ処理ができるの直流増幅器が必要となる。

ように各種の処理ソフトを開発し、データ処ヒートシールの溶着面温度の変化速度は操理の迅速化を図った。

説明に使用している測定データはこの方法

作の速度によって決まる。

実際の運転速度や材料の厚さから推定するによって処理している。

と数百｡C/Sec、－１００.C/Sec・の高速な温度

代表的な汎用アプリケーションは1本の標傾斜になる。これは0.01-0.005sec./･Ｃと準データからパソコンによる任意温度の「溶なる。

着面温度のシミュレーション」がある6)。

溶着面温度を直接測定するためには、高感度かつ高速の信号処理系が必要であることが3.3［溶着面温度測定法］の構成（手動式）
記述した「溶着面温度測定法」；“ＭTMS,，

分かった。

－１２５－

｢ヒートシールの数逓化管理のliiIP充ノの実際の測定システムの構成例と各機材の仕様を図３に示した。

センサーそのまま圧着するとヒートバーの金属面との接触で「ショート」が起こり計測が阻害される。本研究では市場に出回ってい4.結果

る最も薄いＰＥＴｌ２ｌｕｍのシートに挟んで比較測定した。この応答の測定結果を図４に示4.1開発システムの性能した。

同様に各種の包装材料の応答比較と包装材

4.1.1センサーの選択

溶着面温度の測定の最大の課題は溶着面に料、センサーの応答相似回路を図５に示した。

センサーを挿入することによって溶着面の温包装材料とセンサーの応答遅れは二つの抵抗

度変化に影響を及ぼすことである。この状(R）と電気容量に）の直列回路になる。

態を検証するために太さの違う３種（13,25,

図５の上段の表に示した数値は下段に示し

45,ｍ､）素線を使いセンサーを製作した。

た応答式に相当する実際の測定結果になる。

13“‘の素線の目視は困難で拡大鏡下の作

R、Ｃの決定を行わなくともこの結果から各業が必要であった。更に素線の電気抵抗が大センサーと材料の複合応答が推定できる。

きく、センサー毎の校正が必要であった。溶

図5の応答式中《s》は微分方程式をラプラス変換した表示である。

着面への装着も難しい。

２５，４５ｍｐのセンサーは比較的扱いが容９５％の応答結果から、１２ｍのＰＥＴの応易で実用性には問題が少ないものであった。

答結果から１３浬”センサーの応答は１１，ｓ4.1.2応答'性能以下と言える。２５座､①センサーと１３’m○

センサーは応答速度の向上と太さを小さくするため“裸線”にしている。

センサーの応答の相違は＝１，ｓである。これらの結果から１０，s程度の応答遅れは１２

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SpecificatiDnofEveryPart8
ーmemperatureControIlerfbrHeatｉｎｇＪａｗ；ON-OFFPIDContml

ヨSettingAccuracy;０．１℃-HeatingPre8sUnit；】VIanualPressing
HeatPipeSetting
Response；２／1000sec．
･HighSpeedDigitalTbmperatureRecorder；ＨＩＯＫＩＥ､ＥＣＯＲＰＯＲ｣NTION
８８５５ｗｉＣｈ８９５４
ｏｒ８８３５･lwith8937-CalfulHtnr；PersonalComputerwithEXCEL

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日本包装学会誌I/OｌノィノVＯ２(2005）

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HeatingPressTime(Secj

Fig4TemperatureResponseofMinuteSensorとが分かった。

4.1.3応答計測の再現I性の維持

溶融温度を通過するとプラスチック材料は液状化する。強い圧着力が加わるとビート
シーラントは圧着面から流出する。すなわ
ちセンサーは加熱体の表面に直接接触したり圧着面のミクロの凹凸によって熱伝導が変化するので、正しい溶着面温度を計測したことにならない。これを回避する方策として圧着ギャップを設定して測定するようにした。
この方策を図６に示した。図６の方法で、約０２ＭＰでの圧着結果を図７に示した。
図７（b)に示したとおり、加熱温度範囲で熱変性の小さい紙の場合は全圧着と圧着代

似で一同

震蕊》

のセンサーでも実用的には十分供用できるこ

0.07ｍｍの応答に大差のない結果を得た。

20,ｓと定`性できる。

008ｍｍ（53%）の効果を測定した結果を図７

３０“以上の包装材料の場合は、４５’､①[(全厚さ）－にロー高さ)］－０．０２ｍｍと熱溶融性のＰＥの場合は全圧着と圧着代＝０，，，００２ｍｍ（１３%)、005ｍｍ（33%)、(a)示した。ピローの効果は、初期の圧着圧－１２７－

｢ビートシールの数量化管理のjiiIF窕_／[蝋纈､i醗碓鑓危…｝

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Fig7SettingEffectofPillowforHeatJaw'よ設定圧力が付加し、加熱による軟化／溶解られる。溶着面温度応答は圧着代0.08-0.10が進行すると圧力は自動的に減少して、溶融mｍ（55-33％）付近に安定した結果が得ら

移動が自己制御される。

れた。この知見は、生産工程の圧着調整にも

図７のデータを解析してみると、圧着代が０．０ｍｍと０．０５ｍｍでは、材料のミクロな歪応用できるものである。
4.1.4測定速度／検出温度精度

みが残り接触が不十分で熱供給の不足が観ら

測定速度、検出温度精度は熱電対の出力信れる。全庄着では、高圧着による表層部の溶号の処理装置（増幅器）の性能によって決定

融とズレによって、溶着面への加熱遅れが観される。市場に出回っている種々の機器の－１２８－

ﾉｲ本包装学会誌Ｖｏｌ.ｌ４ｊＶｏ２（2005）

適応'性を検討した結果､日置電機(株)の｢8855

最小の厚さのもの（PET；12ｍ）にも対応

メモリハイコーダ」と温度測定ユニット

できる。

｢8954」を採用した7)。

4.1.5“ＭTMS,，キットの開発

ヒートシールの溶着面温度の測定条件を満

この器材の温度測定に関係する特`性を示すと足し、容易に実施できる測定キットを開発し．アナログ／デジタル変換；ｌ６ｂｉｔ（デジタた。図３の構成をベースに組み上げた全体を写真１（a)、圧着ユニット部を（b)、測定

ル分解能；４桁）

後のサンプルを（c）に示した。

・温度分解能；0.1℃

・時間分解能；（サンプリング周期）
5．考察

駿小４ｋｓ/ＳＧＧ

・増幅器の周波数時.性；ＤＣ～1ＫＨｚ(1)溶着面という微細部位の温度測定は測定（＋ｌ－－３ｄｂ）

素子の熱容鼠による加熱系の熱流撹乱が懸・実効時間分解能；ｌｍｓ

念されるが、微細センサーを適用することこの性能は市場に出回っている包装材料ので実用的には問題のないシステムを構築できた。
4ぞ(2)センサーの出力は微小であるので商感度

藤匡慰、Ｉ（ＵＷ･TSDⅡＶＭ･Wob｢..ｋＩ灘の増幅器が必要であった。

又、信号の変化速度は数ｍｓの時'１$分解能を必要することが分かった。

(3)‐大量のデータを処理するのでコンピュー
タとの通信機能が要求された。

(4)汎用化した溶着面淵度iIlII定システムの構
築には廉価な高速、高感度な電気偏号処理

呂・Ｉ（システムが不可欠である。エレクトロニ

クス技術の大いなる発展で溶着面ilIli度i111定法；`ＭTMS，、の構築ができた。

6．結論
プラスチックはヒートシール技法と共に包装の基本機能の達成に貢献してきた。

しかし経験的な知見や間接的方法によってlhbIlﾋﾟ8,【iuuMDIwdlWHJunultDLiIt1q･LhBI⑪rim1節｢t“tiIBR

その評価がなされて来ていた。

本研究によって、溶着面温度情報の測定方

Photo1“ＭＴＭＳ，，KitManuaIType－１２９－

｢ピートシールの数ｉｆ化濁理のﾙﾘ禿_ノ

法を確立することができたので、プラスチッ

4） 菱沼一夫、第８回日本包装学会年次大会

クの包装材料のヒートシールと周辺の定量的な解析が格段と進展することが期待できる。

要旨集、ｐ､16-、（1999）
5） 高橋安人、自動制御理論、岩波書店、

p・l5U954）
6） 菱沼一夫、第12回日本包装学会年次大会＜引用文献＞

要旨集、ｐ､82-、（2003）

１）GerogeLHoh;(DonaldAVassaⅡ０，Ｅ､Ｌ）
ＤｕＰｏｎｔｄｅＮｅｍｏｕＴｓａndCompany1US

7）

PatGntN0.4,346,196,1〕､６，Ａｕｇ24]1982

日置電機（株）カタログNoB855J7-25
M-O5K

2）ＪＩＳ：ＺＯ２３８（1998）(原稿受付2004年１２月３日）

3）ASTMDesignation：Ｆ88-00（2000）(審査受理2005年３月１日）－１３０－