簡介
生物基 polyurethane 或 Bio-PU 是一種 polyurethane 材料，其中部分碳含量（在某些配方中甚至大部分或全部）來自可再生原料，如植物油、木質纖維素生物質、糖或其他生物質衍生的中間體，而非純粹來自化石原料。它在塑膠價值鏈中佔有重要地位，因為 polyurethane 化學具有高度適應性：透過改變多元醇、異氰酸酯、催化劑、chain extender 和 additives，Bio-PU 可被配製成泡沫、coatings、adhesives、elastomers、膜材及生物醫學材料。
Bio-PU 的發展是因應三種匯聚的壓力：減少對石油的依賴、降低碳強度，以及法規與客戶對低 VOC 及更永續材料日益增長的需求。同時，其技術特性仍緊密連結於傳統 polyurethane 化學，這意味著許多商業 Bio-PU 系統仍依賴異氰酸酯，因此「生物基」並不自動等同於「無毒」或完全循環。這已加速非異氰酸酯 polyurethane 路線、生物基多元醇及混合配方的研究，以同時改善環境特性和性能。
在商業上，Bio-PU 涵蓋廣泛的成熟度範圍。有些產品（如含可再生成分的軟質泡沫及水性 coatings）已達到工業規模使用，而其他如完全生物基非異氰酸酯系統仍處於開發或早期商業化階段。因此，該領域最好被理解為一組具有不同生物含量、加工性、耐久性及永續性權衡的部份可再生 polyurethane 系統家族。
歷史與發展
Polyurethane 化學本身在二十世紀作為生產泡沫、coatings、adhesives 及 elastomers 的多功能路線而出現，但早期產業絕大部分仍以化石原料為基礎。Bio-PU 運動因環境政策、油價波動以及對溶劑排放與資源耗竭的擔憂而加速發展，促使配方師以可再生替代品取代石油衍生的多元醇。
早期研究主要聚焦於來自植物油的生物多元醇，因為它們可以相對有限的製程變更整合到既有的 polyurethane 生產線中。隨著時間推移，研究擴展至木質纖維素生物質、木質素衍生的組分、糖衍生的平台、微生物發酵產物以及經化學修飾的天然油。最近，該領域已朝向完全生物基及非異氰酸酯 polyurethane 的概念發展，特別是用於 coatings、adhesives、生物醫學材料及 specialty elastomers。
一項關鍵發展是區分單純「生物基含量」與真正的製程重新設計。許多第一代產品僅替換多元醇部分，而較新的研究則旨在減少或消除化石衍生的單體、降低 VOC 並改善可回收性或可降解性。
化學結構與關鍵特性
聚氨酯由異氰酸酯與多元醇的反應構成，產生 urethane 鍵結及可從柔軟彈性調整至剛性高度交聯的分段結構。在 Bio-PU 中，可再生成分通常是多元醇，儘管新興系統也使用生物基異氰酸酯或替代的非異氰酸酯化學。
Bio-PU 的性能主要取決於：
- 用於多元醇的可再生原料，
- 該多元醇的功能度與分子量，
- 異氰酸酯類型與指數，
- 相分離程度，
- 以及填料、催化劑或 chain extenders 的存在。
典型特性趨勢包括：
- 軟質泡沫：當配方平衡良好時，回彈性、舒適性及緩衝性能可與傳統 PU 相當。
- 硬質泡沫：低熱傳導率支援隔熱應用，儘管防火性能通常仍需專用的阻燃策略。
- Coatings 及 adhesives：可達成良好的柔韌性、附著力、耐磨性及耐化學性，特別是在水性或混合系統中。
- Elastomers 及 TPU 類材料：機械性能可保留，惟硬度、抗拉強度、耐水解性及耐熱性的確切平衡取決於系統為聚酯或聚醚傾向。
關鍵技術限制與實務因應措施
- 相分離較低或熱穩定性略微下降 → 生物基單體可能改變鏈段相容性與結晶行為 → 因應措施： 最佳化多元醇結構、提高硬鏈段設計效率，或使用生物基/化石混合物。
- 某些 coatings 的耐磨性較差 → 某些可再生多元醇與水性配方可能犧牲表面強度 → 因應措施： 增加交聯密度、添加 silica 或奈米填料，或選擇更強韌的脂肪族/異佛爾酮基系統。
- 某些生物基 coatings 的有機溶劑膨潤 → 較高的生物含量與親水鏈段可能增加溶劑吸收 → 因應措施： 朝更疏水結構重新配方、使用後固化最佳化，或採用交聯與阻隔面漆。
- 硬質泡沫應用的低阻燃性 → PU 化學本質上易燃 → 因應措施： 加入 flame retardants、PIR 型配方，或使用保護面層與建築系統設計。
- 成本與原料變異性 → 可再生原料可能比石化原料更昂貴且標準化程度較低 → 因應措施： 使用生物質副產物流、開發更高產率的轉化路線，並擴大整合型生物精煉供應鏈。
生產製程與原料
Bio-PU 的生產大致遵循傳統 polyurethane 加工，但將可再生原料替換至一或多個配方成分中。
主要原料
- 植物油 如大豆油、蓖麻油、菜籽油及相關油類廣泛使用，因為它們豐富且可進行化學修飾。
- 木質纖維素生物質 提供木質素衍生及碳水化合物衍生的中間體，特別適用於高功能度多元醇及特用產品。
- 糖及糖衍生物 用於生物基多元醇與單體合成，包括支援環脂肪族或芳香族建構單元的路線。
- 發酵衍生的中間體 越來越多地支援低碳 polyurethane 化學及特用 TPU 平台。
典型生產路線
- 直接使用生物多元醇：天然油經環氧化、羥基化、酯交換或以其他方式官能化，然後與異氰酸酯反應。
- 混合配方：可再生多元醇與石化多元醇混合，以平衡成本、性能與生物含量。
- 水性 polyurethane 分散體：可減少或消除有機溶劑，特別適用於 coatings 與 adhesives。
- 非異氰酸酯 polyurethane 路線：以生物基前驅物為基礎的環狀碳酸酯與胺類化學，旨在完全避免有毒異氰酸酯。
主要公司與產業地位
Bio-PU 領域分布於原料、多元醇及配方供應商，而非由單一產品類別主導。近期來源提及的產業相關貢獻者包括 BASF（水性與塗料系統）、Dow（軟質泡沫用天然油基多元醇）、Henkel（生物基 adhesives）以及 Ford 相關開發（增材製造用生物基 polyurethane 樹脂）。這些公司之所以重要，是因為它們將可再生原料創新連結至汽車內裝、家具、建築及工業 coatings 等大規模終端使用領域。
應用與終端市場
Bio-PU 的應用範圍與傳統 polyurethane 相同，但最適合的使用情境是可再生含量、低 VOC、可調節柔軟性或特殊表面性能能提供明確附加價值的領域。
| 應用 | 典型 Bio-PU 等級或製程 | 適合原因 |
|---|---|---|
| 軟質泡沫 | 天然油多元醇基泡沫，通常為塊狀或模塑 | 舒適、緩衝、回彈性，以及床具與座椅的部份生物含量。 |
| 硬質隔熱泡沫 | 生物多元醇硬質泡沫，有時為 PIR 類系統 | 低熱傳導率與建築隔熱性能。 |
| Coatings | 水性、UV 固化、無溶劑或混合 Bio-PU | 低 VOC、附著力、耐久性與表面光潔度。 |
| adhesives 與密封劑 | 雙組分或水性 Bio-PU | 強力接合與室溫加工，適用於木材、金屬、紡織品與複合材料。 |
| Elastomers 與 TPU | 生物基 TPU 或彈性 PU | 耐磨性、柔韌性與可客製化硬度。 |
| 生物醫學材料 | 親水性或生物活性 PU 系統 | 可調節的生物相容性、溶脹性與載藥潛力。 |
| 膜材與多孔吸附劑 | Bio-PU 泡沫與多孔網路 | 油吸附、分離與功能性過濾。 |
主要終端使用領域包括：
- 家具與床具：床墊、坐墊與內飾用軟質泡沫。
- 汽車：座椅、內飾板、飾條與隔音隔熱。
- 建築：隔熱泡沫、coatings、密封劑、地板與屋頂保護。
- 木材與家具 coatings：水性與耐用裝飾性塗裝。
- 鞋類與消費品：鞋墊、帶子、軟觸感部件與緩衝元件。
- 生物醫學與衛生產品：傷口敷料、支架與其他客製化生物相容系統。
不適合的用途
Bio-PU 通常不適合需要極高耐溫性或在無額外保護下具固有不燃性能的應用，因為 polyurethane 化學仍傾向於可燃，且可能需要額外的阻燃或設計措施。
環境與永續性面向
Bio-PU 的主要永續優勢在於可將石化多元醇部分替換為來自植物或生物質殘渣的可再生碳，從而減少對化石原料的依賴。在某些配方中，特別是水性系統，還可減少 VOC 排放並支援低排放製造。
然而，永續性圖像並非單一面向：
- 生物基並不總是意味著可生物降解；許多 Bio-PU 仍是設計用於長使用壽命的耐用工程塑膠。
- 生物基並不自動意味著無毒；許多系統仍使用異氰酸酯。
- 作物基原料可能與土地、水及肥料使用競爭，視原料來源與農業實踐而定。
- 終端回收仍困難，因為 polyurethane 常為熱固性或高度配方化，限制機械回收路線。
重要的永續途徑包括：
- 使用來自廢棄物或殘渣的生物基多元醇，而非食用作物。
- 對使用過的 polyurethane 流進行化學回收或原料回收。
- 水性與無溶劑配方 以降低製程排放。
- 非異氰酸酯 polyurethane 開發 以改善安全性與循環潛力。
經濟與全球市場影響
Bio-PU 之所以吸引人，是因為 polyurethane 是一個規模龐大且多元化的聚合物市場，因此即使僅部份替換化石多元醇，也能對多個產業產生顯著影響。根據近期產業分析，需求最強勁的領域是永續性主張具有商業價值且性能得以保留的地方，特別是 coatings、adhesives、軟質泡沫及 specialty elastomers。
主要經濟驅動因素包括：
- 來自 VOC 與碳排放法規 的壓力，
- 品牌對 可再生含量 與降低範疇三排放的承諾，
- 與原油連結的原料價格波動，
- 以及消費者對低影響材料興趣的增長。
主要的商業障礙仍包括：
- 較高或較難預測的原料成本，
- 性能調整需求，
- 生物質原料的供應鏈變異性，
- 以及在汽車與建築等要求嚴格的產業中需進行配方專屬認證。
當前挑戰與創新
當前的技術工作聚焦於解決經典的 Bio-PU 權衡：在不失去使 polyurethane 具有商業重要性的機械與加工優勢的前提下，改善環境性能。
主要挑戰
- 平衡可再生性與性能
- 減少對有毒異氰酸酯的依賴
- 改善耐水解性、耐 UV 性、耐磨性與耐熱性
- 使可再生原料在工業規模上保持一致
- 設計實用且經濟的終端生命週期路線
值得注意的創新
- 來自生物基前驅物的非異氰酸酯 polyurethane 合成。
- 用於 coatings 與 adhesives 且降低 VOC 含量的生物基水性 polyurethane 分散體。
- 結合可再生與傳統鏈段以在規模化期間保留性能的混合系統。
- 使用木質纖維素材料等功能性生物填料 以改善成本、密度、吸收或阻隔行為。
- 來自糖與木質素衍生平台的先進生物基單體，包括完全生物基芳香族或環脂肪族建構單元的研究。
一個實用範例是在軟質泡沫中使用部份取代水平的生物基多元醇，此時可增加可再生含量而不需從根本改變發泡製程；其機制簡單：可再生多元醇提供羥基官能基以形成 urethane，同時保留氣體產生與聚合物上升過程中形成的泡沫胞體結構。另一個範例是水性 polyurethane 分散體用於 coatings，其中可再生多元醇與水作為主要載體可減少溶劑排放；其機制是在水分蒸發後形成薄膜，隨後進行硬鏈段締合與交聯。
未來展望
Bio-PU 很可能首先在永續性、低 VOC 與性能可共同最佳化的應用中成長，特別是 coatings、adhesives、軟質泡沫及選定的 elastomers。最強勁的長期擴張路徑可能來自三種匯聚趨勢：更好的生物質轉化化學、更廣泛採用水性與無溶劑加工，以及逐步邁向非異氰酸酯系統。
中期市場可能由部份生物基、高性能混合系統主導，因為它們提供成本、合規性與認證風險的最實用平衡。在更長遠的視野中，若可擴展的生物基異氰酸酯替代品、非異氰酸酯路線及穩健的回收技術充分成熟，完全生物基 polyurethane 平台可能變得更重要。
摘要
Bio-PU 是一個主要透過以植物油、木質纖維素生物質及糖衍生的中間體等生物基原料取代化石多元醇而建構的可再生含量 polyurethane 家族。其重要性在於保留 polyurethane 的標誌性多功能性，同時提供降低化石依賴、降低 VOC 排放及改善永續性證明的途徑。核心挑戰在於環境效益仍須與成本、原料變異性、耐久性要求以及許多商業系統中持續使用異氰酸酯的現況取得平衡。
參考文獻
- •
Flammability of Bio-Based Rigid Polyurethane Foam as ... (2016, August 31). https://www.intechopen.com/chapters/50924Link
- •
Recent Advances in the Preparation and Application of Bio-Based Polyurethane. (2024, July 29). https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11314907/Link
- •
Bio-Based Polyurethane Foams: Feedstocks, Synthesis ... - PMC. (2025, May 7). https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC12108712/Link
- •
Assessment of Bio-Based Polyurethanes. (n.d.). https://pdfs.semanticscholar.org/7fa2/7f3fbf7eb975a72220050390d54698beeebc.pdfLink
- •
Silicon Haven. (2025, October 2). https://www.linkedin.com/pulse/bio-based-polyurethane-real-world-5-uses-youll-actually-ac1ofLink
- •
Biobased Polyurethane - an overview | ScienceDirect Topics. (n.d.). https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/biobased-polyurethaneLink
- •
Biobased polyurethanes for biomedical applications - PMC - NIH. (2020, October 15). https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC7569269/Link
- •
Non-isocyanate polyurethane from bio-based feedstocks and their ... (2025, September 9). https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2025/lf/d5lf00160aLink
- •
A comprehensive review of biobased polyurethane and ... (n.d.). https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S096195342400446XLink
- •
Bio‐Based Polyurethanes: Mechanical Performance, Structure ... (2026, May 1). https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pol.20251170Link
- •
Sustainable cycloaliphatic polyurethanes: from synthesis to ... (2023, January 3). https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2023/cs/d2cs00509cLink
- •
Bio‐Based Polyurethanes: Mechanical Performance ... (2026, May 1). https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/pol.20251170Link
- •
[PDF] Biobased polyurethanes for biomedical applications. (n.d.). https://www.sciencedirect.com/science/article/am/pii/S2452199X2030253XLink
- •
Chemical Resistance And... (n.d.). https://eureka.patsnap.com/materials/renewable-polyurethane-biobasedLink
- •
Biobased polyurethanes for biomedical applications. (n.d.). https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X2030253XLink
- •
Bio-Based Polyurethane: Advanced Synthesis Strategies ... (n.d.). https://eureka.patsnap.com/materials/bio-based-polyurethaneLink
- •
from synthesis to applications - RSC Publishing. (n.d.). https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2023/cs/d2cs00509cLink
- •
Bio-Based Polyurethane Materials: Technical, Environmental, and ... (2025, April 1). https://www.osti.gov/pages/biblio/2567694Link
- •
Bio-Based Polyurethanes: Synthesis to Advanced Application. (2024, November 1). https://pubs.acs.org/doi/10.1021/bk-2024-1485.ch008Link
- •
Development of a Novel Biobased Polyurethane Resin System ... (2022, October 27). https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9654683/Link
- •
Renewable Polyurethanes from Sustainable Biological Precursors. (2021, April 6). https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.0c01610Link
- •
1-s2.0-S0927796X21000036-main. (2025, September 8). https://www.scribd.com/document/850972234/1-s2-0-S0927796X21000036-mainLink
- •
Bio-Based Polyurethane Coatings: Pioneering Efficient and Eco ... (n.d.). https://www.jrte.org/wp-content/uploads/2024/10/Bio-Based-Polyurethane-Coatings.pdfLink
- •
Bio-Based Waterborne PU for Durable Textile Coatings - PMC - NIH. (2021, December 2). https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8659624/Link
- •
Biobased Hyperbranched Polyurethane. (2017, August 15). https://books.rsc.org/books/monograph/759/chapter/479776/Biobased-Hyperbranched-PolyurethaneLink
- •
Debunking Bio-PU myths: Performance over disposability. (2026, February 2). https://www.linkedin.com/posts/manisha-jasani_biopu-polyurethane-materialinnovation-activity-7423892246598545408-DvPWLink
- •
Bio-based method creates polyurethane without toxic chemicals. (2025, March 21). https://phys.org/news/2025-03-bio-based-method-polyurethane-toxic.htmlLink
- •
RSC. (n.d.). https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2025/lf/d5lf00160aLink
- •
Bio-Based Polymers: Farm to Industry. Volume 1: Chemistry and Feedstocks. (2024, November 1). https://pubs.acs.org/doi/10.1021/bk-2024-1485.ch009Link
- •
Bio-Based Polymers: Farm to Industry. Volume 1: Chemistry and Feedstocks. (2024, November 1). https://pubs.acs.org/doi/10.1021/bk-2024-1485.ch007Link
- •
Eco-Friendly and High-Performance Bio-Polyurethane Adhesives ... (2024, June 6). https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11174640/Link
- •
The influence of bio-based monomers on the structure and thermal ... (2024, November 23). https://www.nature.com/articles/s41598-024-80358-6Link
- •
Wood Coatings-New Perpestive New Trends 2024 - Biomass. (2024, September 23). https://biomasscoating.com/en/wood-coatings-new-perpestive-new-trends-2024-biomass/Link
- •
A Comparison of Ester‐ and Ether‐Based Bio‐TPUs With Regard to ... (2025, September 20). https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC12449858/Link
- •
Progress of Polysaccharide-Contained Polyurethanes for ... (2022, July 11). https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9478012/Link
- •
Bio-based vs recycled polyurethane foam: what's the better ... (2025, October 3). https://circufoam.com/bio-based-vs-recycled-polyurethane-foam-whats-the-better-path-to-circularity/Link
- •
Material on Trial: PU Leather, aka 'The Vegan Leather'. (2025, March 5). https://veganfashionrepository.com/2025/03/05/material-on-trial-pu-leather-aka-the-vegan-leather/Link
- •
Application of bio-based polyurethanes in construction. (n.d.). https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0921344924004993Link
- •
An overview of polyurethane biomaterials and their use in ... (n.d.). https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168365923006235Link
- •
Sustainable polyurethanes: toward new cutting-edge opportunities. (n.d.). https://hal.science/hal-04489278/file/Revue%20PU%20Sust.pdfLink
- •
Preparation of bio-based porous material with high oil ... (2024, February 26). https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2024/ra/d4ra00469hLink
- •
Advantages of Bioplastics vs. Disadvantages. (2020, March 26). https://qualityinspection.org/advantages-of-bioplastics-vs-disadvantages/Link
- •
Advantages and Disadvantages of Bioplastics Production from ... (2021, July 28). https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8348970/Link
- •
Polyurethane Advantages - Urethane Properties & Benefits. (n.d.). https://www.precisionurethane.com/urethane-advantage.htmlLink