ベークライトとは？種類や特徴、用途を解説

ベークライトとは？種類や特徴、用途について

 

 

熱硬化性樹脂は、熱可塑性樹脂に比べて種類や生産量が少ないと言われています。しかし、熱硬化性樹脂が人類がはじめて作った樹脂で、その人類最古の合成樹脂の名は、「ベークライト」です。ベークライトは性能バランスの良い熱硬化性樹脂で、現在は樹脂に基材を織り交ぜた積層板の形で販売されています。ベークライトは、先端材料分野をはじめとする独自の領域で活躍しており、私たちの生活を影から支える、欠かせない樹脂です。

 

ベークライトとは？

 

ベークライトの概要

ベークライト（Bakelite）は、「フェノール樹脂」とよばれる熱硬化性樹脂です。工業的な用途では、紙や布に塗布して熱硬化させた板状の素材と知られており、他には接着剤や塗料、電気絶縁材料といった用途に活用されています。原料は、フェノールとホルムアルデヒドです。これらを酸または塩基触媒と共に、必要に応じて硬化剤などを加えて加熱することで、立体網目構造のベークライトが得られます。また、ベークライトは、比較的安価でありながら耐熱性、強度、電気絶縁性などに優れた熱硬化性樹脂として、これまでさまざまな場面で使用されてきました。熱可塑性樹脂の登場により、その活躍の場は少しずつ変化してきたものの、新たな市場の要求に合わせて独自の進化を続けています。現在でも、ベークライトが持つ特性を生かした用途開発が進められており、今後も活用分野は広がると期待されている素材です。

 

ベークライトの歴史

ベークライトは、1872年にドイツのアドルフ・バイエルによってフェノール系染料の研究中に見いだされ、1907年にベルギー系アメリカ人のレオ・ヘンドリック・ベークランドによりその製法が特許出願されました。ベークランドは1910年、フェノール樹脂の工業生産を目的にベークライト社を設立し、自身の名前にちなんで商品名を「ベークライト」に設定。現在でも、この名称が一般的に使用されています。

 

ベークライトの種類

現在ベークライトは、樹脂単体ではなく、樹脂に基材（紙または布）を織り交ぜて成形した積層板として一般的に流通しています。これらは各基材に樹脂を塗布して熱硬化させる方法で製造されます。紙を基材とした積層板は「紙ベークライト」、布を基材とした積層板は「布ベークライト」とよばれています。

 

紙ベークライト

ベークライトに紙を織り交ぜた製品で、布ベークライトに比べて安価（およそ半値）で軽い点が特徴です。電気絶縁性を目的とする場合は、紙ベークライトの使用が推奨されています。ただし、基材として紙を使用しているため、吸水性が高い点には注意が必要です。

 

布ベークライト

布を基材としたベークライトです。紙ベークライトに比べて機械的特性に優れるため、強度を目的とする場面でよく使用されます。一方で、紙ベークライトと同じく基材の吸水性が高いため、水分の少ない環境で使用する必要があります。

 

ベークライトの性質

 

耐熱性

プラスチックには熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂の2種類があり、ベークライトは熱硬化性樹脂に分類されます。熱可塑性樹脂とは、加熱により軟化した素材を冷却して硬化した樹脂です。一方で熱硬化性樹脂は、加熱すると熱可塑性樹脂と同様軟化しますが、そのまま加熱し一定温度を超えると急速に硬化する樹脂です。熱硬化性樹脂は熱可塑性樹脂と比べ、耐熱性、耐薬品性、機械的性質などの点において優れていますが、一度加熱による硬化を起こすと再度軟化することがないため、再形成が不可能となりリサイクルできません。熱硬化性樹脂にはベークライトの他に、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、ポリウレタン樹脂などがあります。

 

電気絶縁性

ベークライトは絶縁体です。電気絶縁材料として広く使われている素材です。
紙ベークライトは電気絶縁性に優れる材料の中でも特に安価で比重も軽いため、絶縁を目的とする場合は布ベークライトより紙ベークライトを使うことが一般的です。

 

機械的強度

ベークライトは機械的強度に優れた樹脂で、特に布ベークライトは紙ベークライトに比べ更に強度が高く、耐衝撃性を必要とするような場合には布ベークライトが使われます。ベークライトは積層板ですので、寸法収縮率や機械的強度が方向によって異なります。寸法収縮率は横方向が縦方向に比べ大きく、機械的強度は横方向のほうが縦方向より弱くなります。また、積層板は層に垂直な方向には強度がありますが、並行な方向の力には弱いため、積層に並行に力の加わるような加工・使用はなるべく避けたほうが良いです。

 

吸水性

ベークライトは基材に紙や布が使われているため、吸水率が非常に高い樹脂です。湿度の高い場所では寸法変化を起こす可能性が高いことに注意が必要です。

 

耐候性

耐候性は低く、紫外線により劣化します。酸化による変色が起こりますが、変色して色が濃くなっても物性上の問題はありません。

 

耐薬品性

ベークライトは耐薬品性が高く、多くの薬品に対しての耐性があります。
アクリル系溶剤に弱く、強酸や強アルカリの薬品への耐性は低いため、薬品を使う環境では使用薬品の確認が必要です。

 

 

ベークライトの特徴

 

メリット

 

耐熱性が高い

ベークライトは熱硬化性樹脂であるため、熱に強い点が大きな特徴です。耐熱温度は150～180℃と高く、高温でも強度が保たれます。

 

電気絶縁性に優れる

ベークライトは電気絶縁性が高いため、絶縁材料としてプリント基板や遮断器、配電盤塗料などに活用されています。

 

機械的強度が高い

機械的強度の高さも、ベークライトの大きなメリットです。特に、布ベークライトは紙ベークライトよりも強度が高く、耐衝撃性などが求められる用途には布ベークライトがよく使用されます。ただし、強度は基材（紙や布）の繊維の方向性に影響を受けるため、注意が必要です。

 

射出成形で加工できる

ベークライトを樹脂単体で成形する場合、熱可塑性樹脂と同じく射出成形による加工が可能です。硬化しない程度の温度（約50℃）にまでベークライトを加熱した後、金型に流し込み、150～180℃に加熱して硬化させます。

 

デメリット

 

リサイクルが難しい

熱硬化性樹脂であるベークライトは、一度硬化させて成形した後は再形成できないため、リサイクルが難しいとされてきました。現在、住友ベークライトなどがベークライトのリサイクルに関する研究を進めています。

 

吸水性が高い

積層板として販売されているベークライトの内部には、基材として紙や布が含まれています。そのため吸水性が高く、水のある環境や湿度の高い環境での使用には向きません。

 

耐候性が低く、アルカリ系溶剤に弱い

ベークライトは紫外線に弱いため、屋外で使用する際には注意が必要です。また、アルカリに溶解しやすいという特徴もあります。

 

用途

 

ベークライトは電気絶縁材料としてプリント配線基板や、配電盤、変圧器、遮断器、絶縁用端子板などに使用されます。1907年に工業生産が開始されてから、食器やキッチン用品、ボタン、時計、アクセサリーといった私たちの身近な製品にも多く使用されてきました。しかしその後、ナイロンやフッ素樹脂をはじめとする多くの熱可塑性樹脂が発明され、成形性やコストなどの観点から、ベークライトの一部用途が熱可塑性樹脂に置き換えられていきます。今では、ベークライトそのものを製品として成形することは少なくなりましたが、ベークライトが持つ独自の性質を生かして、現在でもさまざまな用途展開が進められています。ベークライトは、優れた電気絶縁性を生かしてプリント基板や配電盤、遮断器などに使用されています。プリント基板は、パソコンやタブレットのようなIT機器だけでなく、現在の電化製品には欠かせないものです。そのため電気を使用するあらゆる分野でベークライトが使われているといっても過言ではありません。また、接着剤やシェルモールド材、塗料としても有用です。例えば、鋳造用の砂型や3Dプリンター用材料のバインダーなどにも、ベークライトが接着剤として使用されています。さらに、アルカリへの溶解性や200～300nmの光を吸収する特性を生かして、フォトレジスト材料としても使用されます。これら以外にも、金属代替部品、リチウムイオン電池の負極材、医薬用活性炭原料など、高い機械的強度からさまざまな分野の高機能材料として活用が進んでいます。

 

まとめ

ベークライトは、100年以上前に開発された世界初の合成樹脂で、フェノール樹脂ともよばれます。比較的安価でありながら耐熱性、強度、電気絶縁性などに優れた、性能バランスのいい熱硬化性樹脂です。現在は樹脂単体ではなく、樹脂に基材（紙または布）を織り交ぜて成形した積層板として流通しています。
耐熱性や電気絶縁性に優れる点、強度が高い点、射出成形で加工できる点などは、ベークライトのメリットです。一方で、リサイクルが難しい、吸水性が高い、紫外線に弱いといったデメリットもあります。ベークライトは現在、プリント基板や配電盤、接着剤や塗料、フォトレジスト材料、リチウムイオン電池の負極剤など、さまざまな場面で使用されています。