바이오 기반 고무

소개

바이오 기반 고무는 재생 가능한 생물학적 원료에서 전부 또는 부분적으로 만들어진 탄성체 재료를 포괄하는 용어로, 화석 자원이 아닌 식물에서 수확한 천연 고무, 바이오매스 유래 단량체로 만든 기존 합성 rubbers의 바이오 기반 버전, 이타콘산, 숙신산 또는 바이오 기반 알코올과 같은 플랫폼 화학물질로 구축된 새로운 바이오 유래 elastomers를 포함합니다.

플라스틱 및 고무 가치 사슬에서 바이오 기반 고무는 까다로운 응용 분야에서 요구되는 탄성, 복원력 및 가공성을 유지하면서 석유 의존도를 줄이고, 경우에 따라 수명 주기 탄소 강도를 낮추는 두 가지 오랜 산업 목표를 동시에 달성하기 때문에 중요합니다. 이 분야는 성숙한 natural rubber 시스템, 신흥 미생물 및 발효 유래 경로, 드롭인 바이오 기반 polybutadiene, styrene-butadiene rubber, EPDM 및 관련 elastomers 생산을 목표로 하는 산업 프로젝트에 걸쳐 있습니다.

이 주제는 또한 농업, 생명공학, 고분자 화학 및 순환 경제 정책의 교차점에 있습니다. 현재 개발 노력에는 구아율, 민들레, 자작나무 껍질, 음식물 쓰레기, 사탕수수, 옥수수 및 리그노셀룰로스 바이오매스에서 얻은 원료가 포함되어 공급을 다각화하고 원유 변동성 및 토지 이용 위험에 대한 노출을 줄이려는 광범위한 시도를 반영합니다. 그러나 지속 가능성 주장은 경로에 따라 크게 달라집니다. 일부 제품은 바이오 기반이지만 생분해되지 않고, 일부는 부분적으로 바이오 기반이며, 일부는 상업적 성능을 달성하기 위해 여전히 기존 경화 시스템, 충전제 및 가공 보조제를 필요로 합니다.

역사 및 개발

Hevea brasiliensis에서 얻은 Natural rubber는 100년 이상 지배적인 바이오 기반 탄성체였으며 가장 확립된 상업용 바이오 기반 고무로 남아 있습니다. 그 산업적 중요성은 가황 처리로 인해 고무가 타이어, 씰, 벨트 및 수많은 엔지니어링 용도에 충분히 치수 안정적이고 내구성이 있게 되면서 가속화되었습니다.

현대 바이오 기반 고무 개발은 두 가지 주요 경로로 나뉩니다. 한 경로는 석유 유래 단량체를 바이오매스 유래 동등물로 대체하여 폴리이소프렌, polybutadiene, SBR 및 NBR과 같은 기존 rubbers의 화학을 보존하는 것입니다. 다른 경로는 이타코네이트 기반 elastomers 및 기타 새로운 바이오 유래 네트워크를 포함한 재생 가능한 빌딩 블록에서 새로운 고분자 구조를 만듭니다.

최근 몇 년 동안 실험실 개념에서 파일럿 및 프로젝트 규모 산업화로 전환되었습니다. RUBBIO 및 관련 연구 프로그램과 같은 유럽 이니셔티브는 음식물 쓰레기 및 리그노셀룰로스 잔류물을 포함한 바이오 기반 원료를 기반으로 하는 순환 고무 가치 사슬을 개발하고 있으며, 명시적으로 고성능 elastomers를 대규모로 생산하는 것을 목표로 합니다. 동시에 기업과 연구 그룹은 열대 플랜테이션에 대한 의존도를 줄이기 위해 구아율 및 민들레와 같은 대체 natural rubber 공급원을 탐색하고 있습니다.

화학 구조 및 주요 특성

바이오 기반 고무는 탄소 기원에 의해 정의되는 범주이지 단일 고분자 제품군이 아닙니다. 화학적으로는 다음과 같을 수 있습니다:

• Natural rubber, 주로 cis-1,4-폴리이소프렌.
• 바이오 기반 드롭인 합성 고무, 단량체는 기존 rubbers와 동일하지만 바이오매스에서 생산됨.
• 새로운 바이오 기반 elastomers, 이타코네이트 유래 또는 기타 재생 가능한 고분자 시스템으로 단일 석유화학 고무의 직접 대체재가 아님.

각 유형의 성능은 분자 구조, 불포화도, 가교 밀도, 충전제 상호작용 및 가공 이력에 따라 달라집니다. Natural rubber는 높은 탄성, 내마모성, 내충격성, 효율적인 열 분산 및 강한 저온 유연성으로 특히 가치가 있습니다. 바이오 기반 드롭인 rubbers는 중합 후 화학적으로 동일하기 때문에 화석 기반 대응물과 매우 유사하게 일치할 수 있습니다.

이 범주 전반에 걸쳐 몇 가지 중요한 기술적 한계가 일반적입니다:

• 가스 배리어 제한 → 많은 고무 같은 폴리이소프렌 및 관련 elastomers는 유연한 사슬과 비정질 형태 때문에 본질적으로 높은 가스 투과성을 가짐 → 산소 또는 연료 보유가 중요한 경우 다층 구조, 배리어 coatings 또는 고분자 블렌드를 사용.
• 표면 접착 제한 → 비극성 rubbers, 특히 natural rubber 및 많은 폴리올레핀은 처리 전 표면 에너지가 낮음 → 접착 및 인쇄성을 개선하기 위해 코로나, 플라스마, 화염 처리, 프라이머 또는 호환성 점착 부여제/기능성 충전제를 사용.
• 내열성 및 내유성 트레이드오프 → 높은 탄성은 종종 오일, 연료 또는 연속 고온에 대한 저항성을 희생하는 대가로 얻어지며, 탄성체 제품군에 따라 달라짐 → ENR, NBR 유형 시스템, EPDM 유형 시스템을 선택하거나 보강 additives 및 맞춤형 경화제로 배합.

배합 관점에서 바이오 기반 고무는 여전히 기존 고무와 동일한 보조 패키지에 크게 의존합니다: 황 또는 과산화물 경화 시스템, 가속제, 활성제, carbon black 또는 silica, 공정 오일, plasticizers, antioxidants 및 coupling agents. 예를 들어 silica 충전 타이어 배합물은 일반적으로 충전제-고분자 결합을 개선하기 위해 낮은 phr 수준의 실란을 사용하며, zinc oxide 및 stearic acid는 가교 종의 형성을 촉진하여 황 가황을 활성화합니다.

생산 공정 및 원료

생산 경로는 광범위하게 다양하지만, 산업적으로 관련된 대부분의 바이오 기반 고무 시스템은 네 가지 경로에 속합니다.

1. 식물에서 직접 추출

Natural rubber는 라텍스 함유 식물을 태핑한 다음 고무 고형물을 응고, 세척, 건조 및 가공하여 얻습니다. Hevea가 여전히 지배적이지만 구아율 및 민들레가 더 다각화된 지역 공급망을 위한 대체 공급원으로 개발되고 있습니다.

2. 바이오매스 발효를 통한 단량체 생산

이 경로는 당, 전분 또는 리그노셀룰로스 가수분해물을 에탄올, isoprene 전구체, 부타디엔 중간체 또는 기타 단량체와 같은 플랫폼 분자로 전환한 다음 기존 기술을 사용하여 중합합니다. Fraunhofer UMSICHT 및 관련 프로젝트는 바이오 기반 알코올에서 부타디엔, isoprene 및 디메틸부타디엔과 같은 단량체 생산의 진전을 보고합니다.

3. 바이오 기반 드롭인 중합

이 경로에서는 바이오매스 유래 단량체를 기존 중합 라인에 공급하여 화학적으로 화석 기반 등급과 동일한 고무를 생산합니다. 이 접근 방식은 현재 자산, 자격 데이터 및 다운스트림 가공 인프라를 활용할 수 있어 매력적입니다.

4. 새로운 바이오 기반 고분자 합성

이 경로는 이타코네이트 또는 숙시네이트 유도체와 같은 재생 가능한 플랫폼 화학물질을 사용하여 새로운 구조와 때로는 새로운 특성 균형을 가진 elastomers를 만듭니다. 이러한 재료는 기존 고무 성능을 최적화하기 어려운 경우 유망할 수 있지만, 일반적으로 더 까다로운 규모 확대 및 자격 장벽에 직면합니다.

일반적인 원료에는 사탕수수, 옥수수, 감자 폐기물, 빵 폐기물, 자작나무 껍질, 농업 잔류물 및 대두, 피마자 또는 해바라기와 같은 오일 함유 바이오매스가 compounding systems과 관련하여 포함됩니다. 각 원료의 지속 가능성 가치는 수율, 토지 이용, 공정 에너지, 운송 거리 및 식량 또는 생물다양성 우선순위와 경쟁하는지 여부에 따라 달라집니다.

응용 분야 및 최종 사용 시장

바이오 기반 고무는 탄성, 피로 저항, 밀봉, 감쇠 또는 내마모성이 필요한 곳에 사용됩니다. 최적의 응용 분야는 재료가 natural rubber, 바이오 기반 드롭인 합성물 또는 새로운 탄성체인지에 따라 달라집니다.

부적합한 용도는 바이오 기반 고무가 일반적으로 강성 및 치수 강성을 위해 설계된 것이 아니라 유연성을 위해 설계된 elastomers이기 때문에 단단한 구조 부품입니다. 따라서 thermoplastics 또는 섬유 강화 복합재가 하중 지지 구조 응용 분야에서 고무를 대체하는 경우가 많습니다.

실제로 가장 큰 상업적 용도는 여전히 타이어 및 타이어 관련 부품이며, 그 다음으로 씰, 호스, 진동 절연체, 신발 및 기술 성형 제품입니다. 바이오 기반 함량은 베이스 폴리머 자체가 아니라 공정 오일, plasticizers 및 배합 보조제를 통해 간접적으로 나타날 수도 있습니다.

환경 및 지속 가능성 측면

바이오 기반 고무는 화석 원료 수요를 줄일 수 있지만 환경 프로필은 생산 경로에 크게 의존합니다. 관리되는 플랜테이션 또는 다각화된 작물에서 얻은 Natural rubber는 재생 가능한 탄소 공급원을 제공할 수 있는 반면, 발효 유래 rubbers는 에너지 및 정제 부담이 통제된다면 화석 투입을 줄일 수 있습니다.

주요 지속 가능성 고려 사항은 다음과 같습니다:

• 재활용성: 가황 고무는 가교로 인해 단순한 재용융 또는 재가공이 불가능하기 때문에 재활용이 어렵습니다. 기계적 재활용, 탈가황 및 화학적 재활용이 탐색되고 있지만 많은 제품에서 폐쇄 루프 회수는 제한적입니다.
• 생분해성: 바이오 기반이라고 해서 자동으로 생분해되는 것은 아닙니다. 바이오 기반 SBR 또는 EPDM은 기원이 재생 가능할 수 있지만 기존 rubbers처럼 지속될 수 있습니다.
• 토지 이용: 작물 기반 원료는 잘못 관리될 경우 식량 시스템 또는 생물다양성과 경쟁할 수 있으므로 잔류물 기반 및 폐기물 기반 경로가 전략적으로 중요합니다.
• 탄소 발자국: 발효 경로는 게이트 투 크레이들 배출량을 낮출 수 있지만 에너지 집약적인 분리는 이득을 잠식할 수 있습니다. 최근 프로젝트는 공정 강화 및 용매 재활용을 통해 낮은 CO2를 명시적으로 목표로 합니다.
• Additives 중요: carbon black, 광물 충전제, 석유 유래 오일 및 기존 경화제가 여전히 배합물 질량의 대부분을 차지할 수 있으므로 폴리머에만 “바이오 기반” 라벨을 붙이면 전체 환경 이점을 과장할 수 있습니다.

바이오 기반 충전제 및 바이오 유래 오일은 rubber compounds의 지속 가능성 프로필을 개선하기 위해 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 예로는 리그닌, 전분, 셀룰로스, 키틴 및 대두, 피마자, 해바라기 및 아마씨 오일과 같은 식물성 오일이 있으며, 이는 성능 목표에 따라 광물 오일 plasticizers 또는 기존 충전제를 부분적으로 대체할 수 있습니다. 이러한 대체는 종종 충전제 분산, 극성 매칭 또는 고무 매트릭스의 가소화를 통해 작동하지만 피로 저항 또는 웨트 그립 손실을 피하기 위해 신중한 호환성 제어가 필요합니다.

경제 및 글로벌 시장 영향

시장은 기존 합성 및 natural rubber 산업보다 여전히 작지만 공급 안보, 규제 압력 및 고객 탈탄소 목표를 다루기 때문에 전략적으로 중요합니다. 최근 산업 분석에 따르면 바이오 기반 고무는 틈새 지속 가능성 브랜딩에서 성능 동등성 전략으로 이동하고 있으며, 그 가치 제안은 자격 상태를 희생하지 않고 화석 의존도를 낮추는 것입니다.

글로벌 환경은 여러 생산자 범주에 의해 형성됩니다:

• 동남아시아 및 기타 열대 지역의 기존 natural rubber 생산자.
• 바이오 기반 드롭인 단량체 및 고분자를 개발하는 화학 회사.
• isoprene, 부타디엔 및 관련 중간체를 목표로 하는 생명공학 및 발효 회사.
• 폐기물 전분, 자작나무 껍질 및 리그노셀룰로스 잔류물과 같은 지역 순환 원료에 초점을 맞춘 연구 컨소시엄 및 공공 프로젝트.

드롭인 바이오 기반 고무의 주요 상업적 이점은 기존 가공 자산과의 호환성입니다. 바이오 유래 단량체가 화학적으로 석유화학 버전과 동일하다면 다운스트림 중합, 배합 및 성형 라인은 종종 변경되지 않은 상태로 유지될 수 있어 채택 장벽을 낮춥니다. 주요 경제적 과제는 비용입니다: 바이오매스 수집, 발효 생산성, 정제 및 단량체 전환은 성숙한 석유화학 규모 경제와 경쟁해야 합니다.

현재 과제 및 혁신

이 부문은 여러 기술적 및 상업적 병목 현상에 직면해 있습니다:

• 원료 변동성: 바이오매스 조성은 계절, 지리 및 잔류물 스트림 품질에 따라 변하여 공정 제어를 복잡하게 만듭니다.
• 규모 확대 경제성: 발효 역가, 수율 및 다운스트림 분리는 종종 비용 제한 단계로 남아 있습니다.
• 성능 자격: 타이어, 항공우주 씰 및 의료 재료는 광범위한 노화, 피로 및 규제 검증이 필요합니다.
• 수명 종료 복잡성: 바이오 기반 기원은 가교 elastomers의 재활용 어려움을 해결하지 못합니다.

혁신은 여러 분야에서 진행 중입니다:

• isoprene 및 기타 고무 관련 단량체의 더 높은 수율을 위한 미생물 공학.
• 음식물 쓰레기, 농업 잔류물 및 리그노셀룰로스 스트림에서 얻은 순환 원료.
• 지리적 공급을 확대하기 위한 구아율 및 민들레와 같은 대체 natural rubber 작물.
• 배합에서 일부 석유 유래 보조제를 대체할 수 있는 재생 가능한 오일 및 테르펜 용매를 포함한 바이오 기반 가공 보조제.
• 더 효율적인 경화 시스템 및 무용제 배합을 포함한 고급 가황 및 저VOC 가공.

특히 중요한 설계 방향은 고분자 대체만이 아니라 배합 최적화입니다. 많은 실제 제품에서 환경 및 성능 결과는 고무 골격 자체뿐만 아니라 충전제, 오일, 가속제 및 coupling agents 패키지에 크게 의존합니다.

미래 전망

바이오 기반 고무의 가장 가능성 있는 미래는 단일 보편적 대체가 아닌 세분화된 시장입니다. 성숙한 natural rubber는 타이어 및 고성능 탄성체 제품에서 없어서는 안 될 존재로 남을 것이며, 바이오 기반 드롭인 synthetics은 기존 등급을 제조 인프라 변경 없이 대체할 수 있는 곳에서 성장할 가능성이 높습니다.

장기적으로 가장 높은 가치의 기회는 세 가지 영역에 있을 수 있습니다:

• 기존 자산을 더 낮은 화석 투입으로 사용할 수 있게 하는 드롭인 단량체.
• 탄소 강도를 개선하고 토지 이용 압력을 줄이는 폐기물 기반 가치 사슬.
• 기존 고무 제품군에서 얻을 수 없는 특성을 제공하는 기능적으로 새로운 elastomers.

원료 물류, 생물공정 생산성 및 배합 수준 성능이 계속 개선된다면 바이오 기반 고무는 지속 가능성 프리미엄 범주에서 주류 엔지니어링 재료 제품군으로 이동할 수 있습니다. 그 전환 속도는 재생 가능성에 대한 수사보다 산업이 상업적 규모에서 신뢰할 수 있고, 자격을 갖추고, 비용 경쟁력 있는 elastomers를 제공할 수 있는지 여부에 더 크게 좌우될 것입니다.

요약

바이오 기반 고무는 재생 가능한 생물학적 원료에서 전부 또는 부분적으로 공급되는 탄성체 재료를 의미하며, natural rubber, 바이오 기반 드롭인 synthetics 및 새로운 재생 가능한 elastomers에 걸쳐 있습니다. 그 매력은 고무 같은 성능과 화석 의존도 감소를 결합하는 데 있지만, 실제 지속 가능성 가치는 원료, 공정 에너지, additives 및 수명 종료 경로에 따라 달라집니다.

Natural rubber는 여전히 가장 확립된 바이오 기반 탄성체로 남아 있으며, 발효 및 바이오매스 전환은 isoprene 및 부타디엔과 같은 단량체의 새로운 공급 경로를 가능하게 하고 있습니다. 이 분야는 기술적으로 유망하고 상업적으로 관련이 있으며, 규모 확대 경제성, 재활용 어려움 및 까다로운 응용 분야에서 성능 동등성의 필요성으로 인해 여전히 제한을 받고 있습니다.

참고 문헌

• •

  Bio-based rubber in the real world: 5 uses you'll actually see ... (2025, October 6). LinkedIn. https://www.linkedin.com/pulse/bio-based-rubber-real-world-5-uses-youll-actually-lx9ofLink

• •

  The rise of biodegradable bio-based synthetic rubbers. (2025, July 28). Vertec Biosolvents. https://www.vertecbiosolvents.com/the-rise-of-biodegradable-bio-based-synthetic-rubbersLink

• •

  What is bio-based rubber? Uses, how it works & top ... (2025, October 6). LinkedIn. https://www.linkedin.com/pulse/what-bio-based-rubber-uses-how-works-top-companies-24qgcLink

• •

  Bio-based synthetic rubber: The complete guide to ... (2026, June 2). Symbchem. https://symbchem.com/bio-based-synthetic-rubber-the-complete-guide-to-sustainable-elastomers/Link

• •

  3 bio-based thermoplastic... (2022, February 1). Wiley Online Library. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sus2.45Link

• •

  Rubber from biomass: Promising agriculture route. (2024, August 30). Abhijeet Shirke. https://www.abhijeetshirke.in/rubber-from-biomass/Link

• •

  Design, development and industrial application of bio-based itaconate rubber. (2022, November 29). Journal of Beijing University of Chemical Technology. https://journal.buct.edu.cn/EN/10.13543/j.bhxbzr.2022.05.002Link

• •

  Recent development of biodegradable synthetic rubbers and ... (2022, November 30). PMC. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9710532/Link

• •

  Sustainable bio-rubber: A scalable, low-carbon alternative for Europe. (2025, December 29). CORDIS. https://cordis.europa.eu/article/id/462617-sustainable-bio-rubber-a-scalable-low-carbon-alternative-for-europeLink

• •

  Bio-based synthetic rubbers: A sustainable shift in plastics. (2025, February 11). Plastics Engineering. https://www.plasticsengineering.org/2025/02/bio-based-synthetic-rubbers-a-sustainable-shift-in-plastics-007951/Link

• •

  EU project to produce biobased rubber from food waste. (2026, August 25). Rubber Journal Asia. https://rubberjournalasia.com/eu-project-to-produce-biobased-rubber-from-food-waste/Link

• •

  Biobased rubber: The promise of eco EPDM. (2023, August 3). Bio-Sourced. https://www.bio-sourced.com/biobased-rubber-the-promise-of-eco-epdm/Link

• •

  Developments in rubber technology 4 volume 4. (n.d.). EC-UNDP. https://ec-undp-electoralassistance.org/index_htm_files/uploaded-files/uNUmcO/Developments%20In%20Rubber%20Technology%204%20Volume%204.pdfLink

• •

  AI-driven metabolic engineering for sustainable microbial rubber ... (2025, March 31). IJAIBDCMS. https://ijaibdcms.org/index.php/ijaibdcms/article/view/363Link

• •

  Biosynthesis of RUBber from BIObased sources | RUBBIO | Project. (2026, April 27). CORDIS. https://cordis.europa.eu/project/id/101290652Link

• •

  生物基合成橡胶的研究进展 [Research progress on bio-based synthetic rubber]. (2019, December 20). CLGC. https://html.rhhz.net/CLGC/html/20191201.htmLink

• •

  Recent developments in synthesis, properties, applications and recycling of bio-based elastomers. (2024, January 12). Molecules. https://www.mdpi.com/1420-3049/29/2/387Link

• •

  Bio-based and multifunctional rubber additives for ... (n.d.). IJERET. https://ijeret.org/index.php/ijeret/article/download/461/440Link

• •

  Assessing bio-based alternatives to traditional synthetic rubber. (n.d.). PatSnap Eureka. https://eureka.patsnap.com/report-assessing-bio-based-alternatives-to-traditional-synthetic-rubberLink

• •

  A comprehensive overview of conventional and bio-based ... (n.d.). IRIS Polito. https://iris.polito.it/retrieve/82912e7a-b8fd-4f66-aeba-bb876c35d763/1-s2.0-S2589234724002227-main.pdfLink

• •

  Bio-based synthetic rubber. (2024, April 3). Fraunhofer UMSICHT. https://www.umsicht.fraunhofer.de/en/press-media/press-releases/2024/bio-based-synthetic-rubber.htmlLink

• •

  Natural rubber: Comprehensive analysis of biosynthesis ... (n.d.). PatSnap Eureka. https://eureka.patsnap.com/materials/natural-rubber-biosynthesis-processing-applicationsLink

• •

  Perspective on opportunities of bio-based processing oil to rubber industry: A short review. (n.d.). Springer. https://link.springer.com/article/10.1007/s13726-023-01203-7Link

• •

  Synthetic rubber feedstock. (n.d.). PatSnap Eureka. https://eureka.patsnap.com/materials/synthetic-rubber-feedstockLink

• •

  Sustainable rubber solutions: A study on bio-based oil ... (2025, July 31). PMC. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC12349290/Link

• •

  Biosynthesis of natural rubber: Current state and perspectives. (2018, December 22). PMC. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6337083/Link

• •

  Bio-based SBR. (2025, April 26). Sustainability Directory. https://sustainability-directory.com/term/bio-based-sbr/Link

• •

  Natural rubber. (2002, February 9). Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Natural_rubberLink

• •

  Bio-based polyurethane elastomers. (2024, January 16). Encyclopedia.pub. https://encyclopedia.pub/entry/53849Link