フェノール樹脂(ベークライト)の特性と用途 進化する世界初の人工プラスチック

By | 2015年12月18日
スポンサーリンク

フェノール樹脂(ベークライト)とは。代表的製品と概要

プラスチックは大きく分類して二つの種類に分けることが出来る。加熱すると溶けて柔らかくなり、冷却すると固まる熱可塑性樹脂と、通常は液体だが加熱すると硬化して元に戻らなくなる熱硬化性樹脂だ。それぞれの種類によってその加工方法は異なり、用途や使う製品も様々である。

現在プラスチックとしては熱可塑性樹脂のほうが種類も圧倒的に多く、工業製品にも多用されているが、その一方で実は最初の人工的なプラスチックは熱硬化性樹脂のフェノール樹脂(ベークライト)なのである。このフェノール樹脂(ベークライト)は世界で初めて植物以外の原料から人工的に作り出されたプラスチック素材でもあり、多くのプラスチック素材にとって変わられるまでは、あらゆる工業製品に使用されてきた。

例えば、フェノール樹脂(ベークライト)は高い電気的特性、耐熱性を持っていることから、工業化の発展とともに電気部品・機械部品として最も古くから使用された素材だ。電話やラジオ、電球、電子管やソケットなどの部品として使われ、非導電性の部品としてはお馴染みの素材でもあった。

ちなみにフェノール樹脂(ベークライト)の機械部品としての使用は、工業化が進む現代まで拡大を続け、現在でもフェノール樹脂(ベークライト)は金属代替部品として機械部品や自動車部品にも使用されている。また成形材料としても広く使用され、耐熱性や耐火性、難燃性に優れている特性から、鍋などの取っ手としてお馴染みの素材であり、数多くの一般消費材の材料として活躍してきた。

その多くが、現在さまざまに開発されてきたプラスチック素材にとって変わられているが、その高い性能は今でも評価され一部の機械部品での使用や、その他のプラスチック素材との配合材として使用されている。またフェノール樹脂(ベークライト)は金属製造でもお馴染みの素材で、鋳造用砂型の結合材などにも使用されている。

プラスチック時代の到来をもたらし、今でも高い機能を発揮するフェノール樹脂(ベークライト)の機能や特性、代表的な使用法をご紹介しよう。

フェノール樹脂 ベークライト プラスチック 特性 用途 製品

フェノール樹脂(ベークライト)の歴史

フェノール樹脂(ベークライト)は冒頭でご紹介した通り、最も古い人工的に作られたプラスチック素材だ。一番はじめに発明されたのは今から100年以上前の1907年。ベルギー出身のアメリカ人化学者である、レオ・ヘンドリック・ベークランドが開発した。

フェノール樹脂(ベークライト)の名前の由来は、その生成過程においてフェノールとホルマリンを使って合成に成功したことからフェノール樹脂とも言われており、同時に1910年にベークランドがこの樹脂の生産を目的に設立したベークライト社を設立したことからベークライトともよばれ、その呼び名が今日にまで至っている。

このフェノール樹脂(ベークライト)は、正式名称はポリオキシベンジルメチレングリコールアンハイドライドという難しい名称が付けられているが、この名前で呼ばれることはほとんどなく、ベークライトという商標名が一般代名詞となり広く知られている。ちなみにフェノール樹脂(ベークライト)を発明したレオ・ベークランドは、このフェノール樹脂(ベークライト)の発明と生産に成功したことから「プラスチックの父」とも言われている存在。

言うなればフェノール樹脂(ベークライト)は、現代の工業製品の主力素材でもあるプラスチックの時代を開いた素材ともいうことができ、現代のものづくりやデザインを発展させる礎ともなった素材だ。その後フェノール樹脂は成形品、接着剤、結合剤としてさまざまな用途に使用され、その高い特性から機械産業の発展にとって欠かすことができないプラスチック素材となった。

また現在ではほとんどが別のプラスチック素材にとって変わられているが、さまざまな日用品、一般消費財の成形材料として使用され、1920年代にはジュエリーの材料として使用が開始。かの有名なココ・シャネルがフェノール樹脂(ベークライト)のブレスレット、ドレスのボタンなど宝飾品としても使用された。また、高級時計メーカーのブライトリングの腕時計のプレゼンテーションボックスにも使用されている。

1930年代にはさらにその使用範囲が拡大し、ポーカーのチップや麻雀、ドミノなどのギャンブルーのアイテムに、高い耐熱性、断熱性を持つことから食器やキッチン用品などでの使用が普及が拡大していった。現在でも炭素繊維など強化プラスチックは軽くて丈夫という特性から金属への代替素材として注目されているが、おそらくフェノール樹脂(ベークライト)が金属の代替素材として初めての素材ではなかろうか。

1940年代には金属の代替品としてフェノール樹脂(ベークライト)が銃器のグリップやハンドガードなどに使用され、プラスチック素材の新たな可能性を示す初期の栄光だといえよう。1940年代後半から電気を使った製品、電気アイロンなどが登場するとフェノール樹脂(ベークライト)は電気プラグ、スイッチといった非導電性が必要とされる部分に使用が始まり、電気関連の工業用パーツとして注目される。

またブレーキパッドやワイヤ絶縁材として自動車用パーツとしても使われ始め、ABS樹脂にとって変わられるまで、その主力ともなった素材だ。その後時代は大量生産、対象消費の時代を迎え、より安価で量産に向き、機能性も一定以上担保出来るプラスチック素材が登場することで、フェノール樹脂(ベークライト)の役割は少しづつ減少していく。

フェノール樹脂 ベークライト プラスチック 特性 用途 製品

かつての工業製品の材料として一世を風靡。時計などにも使われた。

フェノール樹脂 ベークライト プラスチック 特性 用途 製品

ボタンなどの素材としても使用。シャネルの服にも使用された。

フェノール樹脂 ベークライト プラスチック 特性 用途 製品

高い耐熱性と電気絶縁性は電子機器にも重宝される。

フェノール樹脂(ベークライト)の現在

それではフェノール樹脂(ベークライト)の使用状況は現代においてどのようになっているのだろうか。フェノール樹脂(ベークライト)は日用品や一般消費財の分野では、後から開発されたさまざまなプラスチック素材にその地位を譲っているが、実はその背後で独自の進化を遂げている。

もともとフェノール樹脂(ベークライト)はその開発者でもあるレオ・ベークランド博士が設立した会社ジェネラル・ベークライト社が開発生産を行ってきたが日本において独自の進化を遂げることとなった。日本でのフェノール樹脂(ベークライト)の登場も非常に古く1911年、なんと明治44年にまで遡る。

明治44年にレオ・ベークランド博士と親友でもあった高峰譲吉博士が特許権実施の承諾を受け、現在の第一三共株式会社(当時の三共合資会社)と開発、その後日本におけるプラスチックのパイオニアとして普及が促進した。ちなみに高峰譲吉博士は理化学研究所の設立者の一人で、アドレナリンの発明者としても知られる人物。医学会や薬学会だけではなく、実業界でも活躍した人物でフェノール樹脂(ベークライト)だけではなくアルミニウムの製造事業も日本に導入するよう取り組んだ。

その後、三共株式会社からベークライト部門が独立し日本ベークライト株式会社に、その後住友ベークライト株式会社となって現在に至る。現在フェノール樹脂(ベークライト)は住友ベークライト株式会社の元、研究開発が進められフェノール樹脂(ベークライト)市場で世界トップシェアを持ち、自動車の代替パーツ、半導体材料として高機能化が図られている。

一般消費財から姿を消したとは言え、フェノール樹脂(ベークライト)はその優れた特性を更なる研究開発によって強化され、特化した素材としてエレクトロニクス、自動車、建築、医療分野などでも使用されている。まさに100年前のプラスチックの開祖が、現代では隠れた高機能素材として変貌を遂げていると言えるだろう。

フェノール樹脂(ベークライト)の特性 長所と短所

フェノール樹脂(ベークライト)は、最も古い人工的に作られたプラスチック素材として、世界の工業化の過程でさまざまな製品に使用された。100年以上の長い歴史において、そのほとんどが新たに開発されたプラスチック素材に取って変わられたが、今でもその特性が活かされ、独自の進化を遂げ、さまざまな工業製品に使用されている。

とりわけフェノール樹脂(ベークライト)の草分け的な存在でもある住友ベークライト株式会社は、フェノール樹脂で世界トップクラスの市場シェアを持ち、自動車用パーツから半導体、電子回路用部品などのエレクトロニクス製品、医療、農業、建築など多岐にわたっている。

その特性は開発当初から注目されてきた高い電気絶縁性や、耐熱性、難燃性、耐薬品性などをベースに開発されており、高い機能性が求められる用途に使用されている。成形品の特長としては一般的に滑らかな形状を保持しており、高い加工性から成形も迅速である。現代のフェノール樹脂(ベークライト)は、他の素材、例えばガラス繊維や有機、無機フィラーなどの高分子複合材料と配合されることで新たな機能性素材として独自の進化を遂げている。

フェノール樹脂(ベークライト)の長所

  • 電気絶縁性:高い電気絶縁性を持つ。電気を通さないことから、電子部品や半導体に使用される。
  • 耐熱性:高い耐熱性を持つ。耐熱温度は150度から180度で高温でも強度を保持。
  • 断熱性:断熱性が高く、熱が伝わりにくい。鍋の取っ手や断熱材としても最適。
  • 難燃性:燃えにくい特性を持つ。
  • 寸法安定性:寸法安定性に優れ加工しやすい。
  • 接着性:高接着性を持ち、接着剤や塗料などの主成分になる。
  • 耐酸性:耐酸性に優れる。

フェノール樹脂(ベークライト)の短所

  • 耐アルカリ性:アルカリに弱い。
  • 耐衝撃性:耐衝撃性は高くない。硬くて脆いため繊維などの強化剤を配合したコンポジット材が開発されている。

フェノール樹脂(ベークライト)の製法と種類

フェノール樹脂(ベークライト)はフェノールとホルムアルデヒドの合成によって作り出される。フェノールとは石炭を原料にして作り出される石炭酸で、ホルムアルデヒドは塗料や接着剤、防腐剤などに使用される有機化合物の一種である。フェノール樹脂(ベークライト)が接着剤や結合材として使用されるのは、原料にホルムアルデヒドが使用されているためである。

このフェノールとホルムアルデヒドを合成することでフェノール樹脂(ベークライト)は作り出されることになるが、合成を行う環境によって二種類の分類される事に成る。一般的なフェノール樹脂(ベークライト)とされる種類がレゾール樹脂と呼ばれるもので、このレゾール樹脂はアルカリ触媒下においてフェノールとホルムアルデヒドを合成させたものである。

もう一つはノボラックと言われる種類のフェノール樹脂(ベークライト)でこちらは酸触媒下において縮合重合すると作り出される。この両者の違いは明確で、レゾール樹脂タイプは熱硬化性樹脂に分類され、通常は液体だが加熱すると硬化するという特性を持つ。

一方でノボラックタイプのフェノール樹脂(ベークライト)は逆に熱可塑性樹脂に分類されるもので通常は固形状をしており、加熱させただけでは硬化しないため、ヘキサチレンテトラミンという硬化剤を用いて加熱し成形する。つまりフェノール樹脂(ベークライト)は合成時における触媒の環境下が酸性かアルカリ性かによって種類が異なる。

フェノール樹脂(ベークライト)の加工

現代の工業製品において熱硬化性樹脂に比べて熱可塑性樹脂の使用量が圧倒的に多くなっているが、フェノール樹脂(ベークライト)は金属の代替部品として高い機能を有する熱硬化性樹脂として、いくつかの成形方法に対応している。

とりわけ、フェノール樹脂(ベークライト)は、熱硬化性樹脂であるにも関わらず、熱可塑性樹脂の加工方法として一般的な射出成形に対応しているということがあげられるだろう。またフェノール樹脂(ベークライト)は断熱材の材料としてお馴染みの素材で、発泡剤を混ぜて成形する発泡成形に対応している。

また、フェノール樹脂(ベークライト)はその原料にホルムアルデヒドを使用していることからフェノール樹脂(ベークライト)自体が塗料や接着剤、結合剤としても使用される。結合剤や接着剤として使用される際には、フェノール樹脂(ベークライト)そのものを加工するのではなく材料としての使用になる。本章では代表的な加工方法として熱硬化性樹脂の射出成形と、材料としての用途をご紹介しよう。

熱硬化性樹脂の射出成形とは。フェノール樹脂の高機能パーツ

プラスチック加工の王様と言われる射出成形は、一般的に熱可塑性樹脂で使用される加工方法だ。熱可塑性樹脂の成形方法は、加熱して溶けて柔らかくなった状態で、金型に高圧力で注入し、冷却して硬化させるという方法だ。しかし熱硬化性樹脂は加熱すると硬化して、温度が低下しても固まった状態から元に戻らないという特性を持つ。

そのためフェノール樹脂(ベークライト)のような熱硬化性樹脂を射出成形で使用する場合には、熱可塑性樹脂とは少し異なるプロセスをとる。フェノール樹脂(ベークライト)を射出成形で加工する場合には、まず硬化しない程度の温度約50℃前後まで加熱を行い、流動性を高くする。

その後金型にフェノール樹脂(ベークライト)を流し込み充填させ、金型を150℃から180℃前後まで加熱し固めるという方法だ。熱可塑性樹脂の射出成形とは違い、金型から取り出す場合には、わざわざ冷却しなくても高温のまま取り出すことが可能。ただし硬化するのにはある程度の時間がかかるため、熱可塑性樹脂に比べて生産サイクルが劣るという点が挙げられる。

また熱可塑性樹脂とは違い、熱硬化性樹脂の射出成形ではバリが付着するためバリの処理が必要になる。ただ最近のフェノール樹脂(ベークライト)による成形品はフェノール樹脂(ベークライト)単体ではなく、ガラス繊維などの強化剤などが配合されており、高性能なコンポジット材料として使用されるケースがほとんどである。

こうしたガラス繊維などで強化されたフェノール樹脂(ベークライト)は、主に金属の代替パーツとして軽くて耐久性に優れ、更には耐熱性などにも優れるエンジニアリングプラスチックとして自動車用部品や、電子機器関連製品のパーツに使用される。

フェノール樹脂 ベークライト プラスチック 特性 用途 製品

高機能素材として独自の進化を遂げる

塗料として使用されるフェノール樹脂(ベークライト)

現代のフェノール樹脂(ベークライト)は、上記のような成形品として使用されるよりも塗料や結合剤として使用されることが多い。これはフェノール樹脂(ベークライト)の製法と種類でもご紹介したとおり、フェノール樹脂(ベークライト)の原料であるホルムアルデヒドが塗料や接着剤の原料として使用されているためである。

とりわけフェノール樹脂(ベークライト)を使った塗料はもっとも安価で耐薬品性に優れ錆止めなどにも効果があるとされる。例えばフェノール樹脂(ベークライト)製の塗料は、ダムなどの水門やタンクといった錆止めに使用される。またフェノール樹脂(ベークライト)は、電気絶縁性に優れることから電子部品の塗料やスズメッキ板の塗料としても使用される素材だ。

フェノール樹脂 ベークライト プラスチック 特性 用途 製品

電気絶縁性を活かして塗料でもお馴染みの素材

フェノール樹脂(ベークライト)は砂型鋳造の結合剤

フェノール樹脂(ベークライト)は、金属加工の代表的な成形方法である鋳造で使用されている。鋳造はもっとも古くから使われている金属加工技術で、古来は大仏なども鋳造で製造された。鋳造は砂で作られた型に高熱でドロドロに溶かした金属を流し込み冷却して硬化させる技術。

この砂型の製造においてフェノール樹脂(ベークライト)は主力の結合剤だといえる。この砂型は砂を焼き固めて型にするのだが、砂だけでは崩れやすいためバインダーと呼ばれる結合剤を混合して固まりやすくする。この砂型のバインダーの材料はかつてはベントナイトと呼ばれる粘土や植物油(アマ)、更にはケイ酸ナトリウムを原料にした水ガラスなどが用いられていた。

しかし、現代においてはフェノール樹脂(ベークライト)が高品質な砂型を作ることができる素材として、主力を占めている。鋳造の砂型には高品質な金属加工の成形を可能にする精度や、量産に必要な経済性が求められるが、こうした高品質な性能と経済性を両立するためには、崩壊性が高く、砂を回収して再生利用できるフェノール樹脂の結合剤(バインダー)が最適なのである。また、フェノール樹脂(ベークライト)の結合剤によって作られた砂型の成形品は寸法精度も高くなる。

フェノール樹脂 ベークライト プラスチック 特性 用途 製品

フェノール樹脂(ベークライト)は鋳造用砂型の結合剤(バインダー)の主力素材

3Dプリンターとフェノール樹脂(ベークライト)

3Dプリンターの材料としてさまざまなプラスチック素材が登場してきているが、フェノール樹脂(ベークライト)は砂型用の3Dプリンターの材料として使用が開始されている。砂型の結合剤(バインダー)としての利用は、上記のフェノール樹脂(ベークライト)の加工の部分でもご説明したが、この利用が砂型をデジタルデータからダイレクトに製造する3Dプリンターでも開始されているのだ。

この3Dプリンターを開発したのは鋳造用の3Dプリンター開発を行うドイツのVoxeljet。Voxeljetの砂型3Dプリンターでは、従来、砂型用3Dプリンターの素材としてお馴染みであったケイ砂ではなく、セラミック素材からなるシリカ砂を使用することで、伝統的な砂型製造と同等の高機能を実現できることが強み。

シリカ砂とフェノール樹脂(ベークライト)による結合剤(バインダー)で作られる砂型は従来のものよりもはるかに強固であり精密な寸法精度を実現することができる。また、フェノール樹脂(ベークライト)のバインダーでは砂を再利用することが可能なため、この3Dプリンターの登場によって鋳造のスピードと効率化がより向上していると言えるだろう。

また3DCADデータからダイレクトに製造することが可能なため、微細な形状もより再現しやすくなっている。ちなみに、フェノール樹脂(ベークライト)そのものを造形する3Dプリンターや材料はない。

フェノール樹脂 ベークライト プラスチック 特性 用途 製品

Voxeljetの砂型用3Dプリンター

フェノール樹脂 ベークライト プラスチック 特性 用途 製品

フェノール樹脂(ベークライト)を使った高機能な砂型が作れる

まとめ 高機能に特化、進化したプラスチック素材

フェノール樹脂(ベークライト)は、世界初の人工的に作り出されたプラスチック素材として、あらゆる工業製品に使用され、工業化と近代化を支えてきた。しかし、化学が進み、より安価で大量生産に適したプラスチック素材が開発されると、一般的に触れるプラスチック製品からはその姿を消している。しかし、我々の目に見えないところで独自の発展を遂げ、高機能で特定の用途に合わせた形で進化を遂げているのである。

例えば鋳造用の砂型製造にはフェノール樹脂(ベークライト)は必須の素材だし、電気絶縁性や高い耐熱性を生かし、電子機器関連では未だに絶縁用の塗料として使用されている。またフェノール樹脂(ベークライト)は成形品としても、他のガラス繊維などの素材と配合されることで、高度なエンジニアリングプラスチックとして、その力を発揮している。

プラスチックの特性と用途についてはこちらもどうぞ

プラスチックの加工についてはこちらもどうぞ

スポンサーリンク