島根県産業技術センター研究報告資第 52 号 （2016）

料

近赤外分光測定によるナイロン 6 の含水率評価
出口1. 目

智博＊を検討するうえで重要と考えられるためである．

的

2. 方

プラスチックの射出成形，押出成形，ブロー成形等において原材料であるペレットの水分管理は重要である．ペ

2.1

法

供試材料

レットに水分が多く含まれている場合，射出成形の際に溶材料はノバミッド（三菱エンジニアリングプラスチック

融したペレットから水分が気化し，製品中にボイド（空洞）株式会社製）から製造されたナイロン 6 シート，厚さ 0.3mmやシルバーストリーク（銀条），曇りの発生による透明度のものを 50 × 50mm に切り出して用いた．図１にナイロの低下など外観に異常を発生させる．従って水分を吸収しン 6 の構造式を示す．

ない PE（ポリエチレン：ゴミ袋，買い物袋など）や PP（ポ2.2

試験片の含水率調整

リプロピレン：調理用プラスチック容器本体など）など

密閉容器内において飽和塩水溶液と平衡状態にある雰囲を除き，原料ペレットの水分を規定量以下まで乾燥させる

気の相対湿度は塩の種類と溶液の温度によって決まる．本

ことは不良品を発生させないために必要な条件の一つであ研究では飽和塩法により相対湿度を一定に調整した雰囲気

る．またナイロン 6 は図 1 に示すように極性をもった官能に曝露することにより試験片の含水率調整を行った．湿度基（C=O 基，N-H 基）を持っているので成形後に放置し調整に使用する飽和塩水溶液の溶質は文献 2）,3）を参照してた場合，周囲の空気の湿気に含まれる水分を吸収し含水率選択を行った．

が 3 ～ 4％になる．ナイロン 6 のように吸湿しやすい傾向

各種の飽和塩水溶液を底に入れたデシケータ中に未処理にあるプラスチックでは吸湿しないプラスチックと異なり試験片を水溶液に接触しないように配置し，デシケータ吸湿に伴って，比較的大きく膨張することがあるので，製を 50℃に設定した恒温器内に設置した 2)．この方法により品によっては出荷後の寸法変化を防止するため，成形後に50℃雰囲気においてデシケータ内部の湿度を一定に調整し一定時間吸湿させて寸法を安定させて出荷することになった．その後，試験片の重量が恒量となるまでデシケータ内ている．

で保持して試験片の水分調整を行った 2)．

一方，プラスチックに含有される水分の定量法は数種類

また，市販のナイロンシートは購入時に既に含水率が 3の方法があるが，例えば最も基本的な方法として試験片を～ 4％程度あるため，それ以下の含水率調整には以下の方乾燥させて求める乾燥重量法（JIS K 7251）があるが，比法を用いた．試験片を 110℃に設定した乾燥器内に恒量と較的測定に時間がかかり，製造現場では手軽かつ短時間でなるまで設置し，その時点での含水率を 0％とした．その利用できるとは言い難い．マイクロ波を利用した加熱方法

後 1 ～ 5 日間室内で放置して吸湿させ，3 ～ 4% 以下の低では装置が大掛かりとなる．また通常市販されている近赤

含水率の水分調整を行った 4）．

外線での水分定量装置では材料表面での反射による測定方

試験片の含水率は含水率調整処理後の試料重量と，110℃法が利用されているが，凹凸などの試料の表面状態の影響乾燥重量の差から乾燥重量基準で算出した．なお，ナイロが大きく，測定対象領域により試料全体の状態が反映され

ン 6 のガラス転移温度が 46 ～ 48℃なので，この温度以上ているとは言い難い．

で効率的に水分を吸収させることができると考えられたた

今回，ナイロン 6 を対象として，透過法による近赤外スペクトルから簡単・迅速な水分測定が可能か検討を行った

め，湿度調整のための恒温器の設定温度を 50℃とした．

2.3

近赤外分光測定ので，その結果について報告する．なお，ナイロン 6 を対含水率調整した試験片について，紫外可視近赤外分光光象に選択したのは，他のプラスチックと比較して広範囲か度計（V670；日本分光株式会社）及びその装置に付属した

つ高含水率まで吸湿可能

1）であるとともに，熱可塑性プラスチックの中では吸湿による寸法変化率が大きく，ナイロン 6 の水分含有量を把握することは製品の寸法精度の問題* 環境技術科（-CO-（CH2）5-NH-）n
図1─ 20 ─

ナイロン 6 の構造式

出口：近赤外分光測定によるナイロン 6 の含水率評価
フィルム測定オプションを使用して近赤外吸収スペクトルを測定した．測定波長範囲は 1100 ～ 2500 nm とし，1450 nm
－1

0.9

2.8%
5.4%
9.2%

－1（6900 cm ）及び 1950 nm（5130 cm ）の水（OH 基）の0.7྾ගᗘ

吸収ピーク強度と 110℃乾燥重量法によるサンプルの含水率との相関について検討した．なお，以下に表示される含水率はすべて重量％で示している．

3. 結

4.5%
7.8%

0.50.3

果0.1
185050℃の各飽和塩水溶液および水蒸気による相対湿度と室

1900

1950

20002050Ἴ㛗䠄nm䠅

内にて絶乾状態から吸湿させたナイロン 6 試験片の含水率

図3を表 1，2 に示す．文献によって飽和塩水溶液による平衡含水ナイロン 6 の近赤外吸収スペクトル（1850 ～ 2050 nm）

状態の相対湿度に差が見られるが，本研究においては，含水率の調整が主目的であるためこれらの差による本質的な0.2䝢䞊䜽㧗䛥 (a.u.)

影響は無い．複数種の飽和塩水溶液および絶乾状態からの室温吸湿処理による含水率調整の結果，表１, 2 に示すような一連の異なる含水率の試験片が得られた．
これらの試験片のうち含水率が最低及び最高のものの近赤外分光測定結果をあわせて図 2 に示す．なお，図中の矢印は水（OH 基）の吸収帯を示す．ただし，1450 nm の吸0.10.00

収帯は水由来の OH 基およびナイロン 6 由来の NH 基の伸縮振動の倍音が重なっていると考えられ，水単独の吸収ピークを分離することは難しい．そこで各含水率における246810ྵỈ⋡䠄wt%)

図4

含水ナイロン 6 の 1950 nm のピーク高さと含水率吸収ピーク（1950 nm）が比較的明瞭に観察できる 1850 ～6 に含まれる含水率の増加にともなって，大きくなること

2050 nm の吸収スペクトルを図 3 に示す．この吸収帯ではがわかった．水の吸収ピーク高さと含水率は，比例関係に水の吸収ピークは他の吸収帯と重ならないので，それぞれある傾向が見られた．近似直線の式は Y ＝ 0.0164X+0.00045のスペクトルの吸収ピークの両端を結ぶベースラインをひであり，相関係数は 0.9979 であった．
通常，近赤外線スペクトルの分析には微弱な多数ピーク

き，ピークトップとそれから降ろした垂線とベースラインの重なりから成る複雑なスペクトルとなるため，二次微分との交点間の距離からピーク高さを求めた．
図 4 に 1950 nm ピークにおける含水率とピーク高さの相処理したグラフが用いられる 5）．図 3 のグラフを二次微分関を示す．図 4 より波長 1950 nm のピーク高さはナイロン処理したものを図 5 に示す．この方法では符号が反転するがピーク分離が良くなるとともにベースラインの変動を微

50℃飽和塩水溶液の相対湿度とナイロン6の含水率

相対湿度(%) 2)
相対湿度(%) 3)
含水率(wt%)

表2NaBr4450.92.8NaNO36569.04.5KCl7781.2
5.4K2SO49295.87.8

Water1001009.2

乾燥後1～5日吸湿処理をしたナイロン6の含水率

処理日数
含水率(wt%)

00

1.4

0.0%
9.2%

1.2

྾ගᗘ

12.1

1.0
0.8

44.2

54.4

分操作によって消去することができるという利点がある．
図 5 のピーク高さと含水率の関係を表したグラフを図 6 に示す．図 6 の近似直線の式は Y ＝ 3.0 × 10－5X+4.0 × 10－5であり，相関係数は 0.9625 であった．
ナイロン 6 を完全に乾燥させた試験片の含水率は理論上0.0％であり，本来ならば近赤外吸収スペクトルには存在す྾ගᗘ䛾஧ḟᚤศ್䠄㽢10䠉4 䠅

表1↓1950nm↓1450nm

0.6
0.4
0.2

1.0
0.5
0.0
-0.5

0.0%
2.8%
4.5%
5.4%
7.8%
9.2%

-1.0
-1.5
-2.0-2.5-3.0
1900

1920

1940

1960

1980

Ἴ㛗䠄nm䠅

0.0
1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

Ἴ㛗䠄nm䠅

図5

含水ナイロン 6 の近赤外吸収スペクトルを二次微分処理したグラフ（1900 ～ 1980 nm）

図2 ナイロン6（含水率0.0及び9.2％）の近赤外吸収スペクトル─ 21 ─

䝢䞊䜽㧗䛥 (㽢10 -4)(a.u.)

島根県産業技術センター研究報告て，もう一つは試験片自体の材質に 1950 nm 付近に未知の3.0吸収信号があり，それが近赤外吸収スペクトルに影響を及2.0

ぼしている可能性である．

1.0にある水の吸収ピーク強度と乾燥法によるナイロン 6 の重今回の測定による結果から近赤外線スペクトルの 1950 nm量含水率に相関が見出せ，製造現場における簡単・迅速な含水率管理に適用可能であることがわかった．

0.00246810文ྵỈ⋡䠄wt%)

図6第 52 号 （2016）ナイロン 6 の二次微分処理スペクトルの 1950 nmのピーク高さと含水率るはずのない 1950 nm のピーク高さが 0 より大きいという現象が見られる．この現象に関しては現状では結論付けられておらず，今後の検討課題である．この現象は過去にも繊維に関する研究において報告がされており，原因については 2 つの可能性が示唆されている 4）．1 つは試験片が乾燥処理によっても完全に乾燥しきれず，一部の水分が試験片内部に残留し，その水分が測定に影響した可能性，そし献1 ）福田光完 , 宮川眞利子 . ナイロン 6 の吸湿性とアミド基濃度との関係 . 兵庫教育大学研究紀要（ 第 3 分冊，自然系教育・生活・健康系教育）. 1995, vol. 15, p. 125-135.
2 ）石川篤幸 , 川越誠 . ナイロン 6 の動的粘弾性における時間―水分濃度換算性 . 日本機械学会論文集（A 編）. 2003, vol. 69, no.
678, p. 86-91.
3 ）JIS A 1475 : 2004. 建築材料の平衡含水率測定方法 . 日本規格協会 , p. 10-12.
4 ) 石井大介 , 吉村季織 , 高柳正夫 . 布地に含まれる水の近赤外吸収
スペクトルと定量 . 分光研究 . 2006, vol. 55, no. 6, p. 388-393.
5 ）岩元睦夫，河野澄夫，魚住純 . 近赤外分光法入門 .（株）講談社
サイエンティフィック . 2008, p. 70-72.

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