生物基橡膠

簡介

生物基橡膠 是一個總稱，指全部或部分由可再生生物原料而非化石資源製成的彈性材料。它包括從植物中收穫的天然橡膠、由生物質衍生單體製成的傳統合成 rubbers 的生物基版本，以及由衣康酸、琥珀酸或生物基醇等平台化學品製成的新型生物衍生 elastomers。

在塑膠與橡膠價值鏈中，生物基橡膠之所以重要，是因為它同時針對產業的兩個長期目標：維持高要求應用所需的彈性、回彈性與加工行為，同時減少對石油的依賴，在某些情況下還能降低生命週期碳強度。這個領域涵蓋成熟的 natural rubber 系統、新興的微生物與發酵衍生路線，以及旨在生產可直接替換的生物基 polybutadiene、styrene-butadiene rubber、EPDM 與相關 elastomers 的產業計畫。

這個主題也處於農業、生物技術、高分子化學與循環經濟政策的交會點。目前的開發努力包括來自銀膠菊、蒲公英、樺樹皮、食品廢棄物、甘蔗、玉米與木質纖維素生物質的原料，反映出多元化供應並降低原油波動與土地利用風險的廣泛嘗試。然而，可持續性主張高度依賴路線：有些產品是生物基但不可生物降解，有些是部分生物基，有些仍需傳統硫化系統、填料與加工助劑才能達到商業性能。

歷史與發展

來自巴西橡膠樹的 Natural rubber 已超過一個世紀以來是主要的生物基彈性體，並且仍然是最成熟的商業生物基橡膠。其產業重要性在硫化技術使其尺寸穩定且耐用，足以用於輪胎、密封件、皮帶與無數工程用途後加速發展。

現代生物基橡膠的發展分為兩條主要路徑。一條路徑是以生物質衍生的等效物取代石油衍生單體，保留聚異戊二烯、polybutadiene、SBR 與 NBR 等既有 rubbers 的化學結構。另一條路徑則是從可再生建構單元創造新的聚合物結構，包括衣康酸酯基 elastomers 與其他新型生物衍生網絡。

近年來，發展已從實驗室概念轉向中試與專案規模的產業化。歐洲的 RUBBIO 等倡議與相關研究計畫，正基於生物基原料（包括食品廢棄物與木質纖維素殘渣）開發循環橡膠價值鏈，目標是規模化生產高性能 elastomers。同時，企業與研究團隊正探索銀膠菊與蒲公英等替代 natural rubber 來源，以減少對熱帶種植園的依賴。

化學結構與關鍵特性

生物基橡膠並非單一聚合物家族，而是由碳來源定義的類別。在化學上，它可能是：

• Natural rubber，主要為順式-1,4-聚異戊二烯。
• 生物基可直接替換合成橡膠，其單體與傳統 rubbers 相同，但由生物質而非原油生產。
• 新型生物基 elastomers，例如衣康酸酯衍生或其他非單一石化橡膠直接替代物的可再生聚合物系統。

每種類型的性能取決於分子架構、不飽和度、交聯密度、填料互動與加工歷史。Natural rubber 特別因高回彈性、耐磨性、耐衝擊性、有效散熱與優異低溫柔韌性而受重視。生物基可直接替換 rubbers 因聚合後化學結構相同，可與其化石基對應物密切匹配。

此類別普遍存在幾項重要技術限制：

• 氣體阻隔限制 → 許多橡膠狀聚異戊二烯與相關 elastomers 因鏈段柔軟與非晶形態而具有高氣體滲透性 → 當需保留氧氣或燃料時，應使用多層結構、阻隔 coatings 或聚合物摻混。
• 表面附著限制 → 非極性 rubbers（尤其是 natural rubber 與許多聚烯烴）在處理前表面能低 → 需使用電暈、電漿、火焰處理、底漆或相容增黏劑／功能性填料來改善黏合與印刷性。
• 耐熱與耐油權衡 → 高彈性往往以犧牲耐油、燃料或連續高溫性能為代價，視彈性體家族而定 → 應選擇 ENR、NBR 型系統、EPDM 型系統，或添加補強 additives 與客製化硫化劑。

從配方角度來看，生物基橡膠仍大量依賴與傳統橡膠相同的輔助配方：硫或過氧化物硫化系統、促進劑、活性劑、carbon black 或 silica、加工油、plasticizers、antioxidants 與 coupling agents。例如，silica 填充輪胎配方通常使用低 phr 的矽烷來改善填料-聚合物偶聯，而 zinc oxide 與 stearic acid 則透過促進交聯物種形成來活化硫硫化。

生產製程與原料

生產路線差異很大，但大多數產業相關的生物基橡膠系統可歸納為四種途徑。

1. 從植物直接萃取

Natural rubber 是藉由割取含乳膠植物，然後凝固、清洗、乾燥並加工橡膠固體而得。巴西橡膠樹仍占主導地位，但銀膠菊與蒲公英正被開發為更分散的區域供應鏈替代來源。

2. 生物質發酵生產單體

此路線將糖類、澱粉或木質纖維素水解物轉化為乙醇、isoprene 前驅物、丁二烯中間體或其他單體，然後以傳統技術進行聚合。Fraunhofer UMSICHT 與相關計畫已報告從生物基醇生產丁二烯、isoprene 與二甲基丁二烯等單體的進展。

3. 生物基可直接替換聚合

在此路線中，將生物質衍生單體送入現有聚合生產線，生產化學上等同於化石基等級的橡膠。此方法之所以具有吸引力，是因為能利用現有資產、認證資料與下游加工基礎設施。

4. 新型生物基聚合物合成

此路線使用可再生平台化學品（例如衣康酸酯或琥珀酸衍生物）來創造具有新結構、有時具有新性能平衡的 elastomers。這些材料在傳統橡膠性能難以最佳化的領域可能具有前景，但通常面臨更嚴苛的規模化與認證障礙。

典型原料包括甘蔗、玉米、馬鈴薯廢棄物、麵包廢棄物、樺樹皮、農業殘渣，以及大豆、蓖麻或向日葵等油料生物質（用於相關 compounding systems）。每種原料的可持續性價值取決於產量、土地利用、製程能源、運輸距離，以及是否與糧食或生物多樣性優先事項競爭。

應用與終端市場

生物基橡膠用於任何需要彈性、耐疲勞性、密封、阻尼或耐磨性的場合。最適合的應用取決於材料是 natural rubber、生物基可直接替換合成橡膠，還是新型彈性體。

不適合的用途是剛性結構件，因為生物基橡膠通常不適用於此，彈性體設計目的是柔韌而非剛性與尺寸穩定性。因此，thermoplastics 或纖維強化複合材料通常會在承重結構應用中取代橡膠。

實際上，最大的商業出路仍是輪胎與輪胎相關組件，其次是密封件、軟管、減振器、鞋類與技術成型品。生物基含量也可能間接透過加工油、plasticizers 與配料助劑而非基底聚合物本身出現。

環境與可持續性面向

生物基橡膠可減少化石原料需求，但環境概況強烈取決於生產路線。來自管理良好種植園或多元化作物的 Natural rubber 可提供可再生碳來源，而發酵衍生 rubbers 若能控制能源與純化負擔，則可減少化石投入。

關鍵可持續性考量包括：

• 可回收性：硫化橡膠因交聯而難以回收；機械回收、脫硫與化學回收正被探索，但許多產品的封閉迴路回收仍有限。
• 生物降解性：生物基不自動等於可生物降解。生物基 SBR 或 EPDM 可能來源可再生，卻仍像傳統 rubbers 一樣持久。
• 土地利用：作物基原料若管理不善，可能與糧食系統或生物多樣性競爭，因此殘渣基與廢棄物基路線具有策略重要性。
• 碳足跡：發酵路線可降低從搖籃到工廠的排放，但能源密集的分離可能侵蝕效益；近期計畫明確透過製程強化與溶劑回收來降低 CO2。
• Additives 很重要：carbon black、礦物填料、石油衍生油與傳統硫化劑仍可能占化合物質量的主導，因此僅在聚合物上標示「生物基」可能誇大整體環境效益。

生物基填料與生物衍生油正日益用於改善 rubber compounds 的可持續性概況。例子包括木質素、澱粉、纖維素、甲殼素，以及大豆、蓖麻、向日葵與亞麻籽油等植物油，視性能目標而定，可部分取代礦物油 plasticizers 或傳統填料。這些替代通常透過填料分散、極性匹配或橡膠基質的塑化發揮作用，但需仔細控制相容性，以避免疲勞阻力或濕抓地力下降。

經濟與全球市場影響

市場仍小於傳統合成與 natural rubber 產業，但因其解決供應安全、監管壓力與客戶去碳化目標而具有策略重要性。根據近期產業分析，生物基橡膠正從利基可持續性品牌走向性能對等策略，其價值主張是在不犧牲認證地位的情況下降低化石依賴。

全球格局由幾類生產者塑造：

• 東南亞與其他熱帶地區的既有 natural rubber 生產者。
• 開發生物基可直接替換單體與聚合物的化學公司。
• 鎖定 isoprene、丁二烯與相關中間體的生技與發酵公司。
• 專注於區域循環原料（如廢棄澱粉、樺樹皮與木質纖維素殘渣）的研究聯盟與公共計畫。

生物基可直接替換橡膠的主要商業優勢是與現有加工資產相容。若生物衍生單體在化學上與石化版本相同，下游聚合、配料與成型生產線通常可保持不變，從而降低採用障礙。主要經濟挑戰在於成本：生物質收集、發酵生產力、純化與單體轉化必須與成熟石化規模經濟競爭。

當前挑戰與創新

此產業面臨多項技術與商業瓶頸：

• 原料變異性：生物質組成隨季節、地理位置與殘渣流品質而變化，使製程控制複雜化。
• 規模化經濟：發酵效價、產率與下游分離通常仍是成本限制步驟。
• 性能認證：輪胎、航太密封件與醫療材料需 extensive 老化、疲勞與法規驗證。
• 生命終點複雜性：生物基來源並未解決交聯 elastomers 的回收困難。

創新正從多方面推進：

• 微生物工程 以提高 isoprene 與其他橡膠相關單體的產率。
• 循環原料 來自食品廢棄物、農業殘渣與木質纖維素流。
• 替代 natural rubber 作物 如銀膠菊與蒲公英，以擴大地理供應。
• 生物基加工助劑 包括可再生油與萜烯溶劑，可在配料中取代部分石油衍生輔助劑。
• 先進硫化與低 VOC 加工，包括更高效的硫化系統與無溶劑配方。

一個特別重要的設計方向是配料最佳化，而非僅聚合物替代。在許多實際產品中，環境與性能結果取決於填料、油、促進劑與 coupling agents 的組合，而非僅橡膠主鏈。

未來展望

生物基橡膠最可能的未來是細分市場，而非單一的全面取代。成熟的 natural rubber 將繼續在輪胎與高性能彈性體產品中不可或缺，而生物基可直接替換 synthetics 則可能在現有等級可無需改變製造基礎設施的情況下被取代的領域成長。

長期來看，最高價值的機會可能在三個領域：

• 可直接替換單體，讓產業在降低化石投入的情況下使用既有資產。
• 廢棄物基價值鏈，改善碳強度並減少土地利用壓力。
• 功能性新型 elastomers，提供傳統橡膠家族無法提供的性能。

若原料物流、生物製程生產力與配料級性能持續改善，生物基橡膠可從可持續性溢價類別轉為主流工程材料家族。轉型的速度將較少取決於對可再生性的說詞，而更多取決於產業能否在商業規模交付可靠、已認證且具成本競爭力的 elastomers。

摘要

生物基橡膠 指全部或部分來自可再生生物原料的彈性材料，涵蓋 natural rubber、生物基可直接替換 synthetics 與新型可再生 elastomers。其吸引力在於結合橡膠般的性能與降低化石依賴，但其真正的可持續性價值取決於原料、製程能源、additives 與生命終點路徑。

Natural rubber 仍是 established 生物基彈性體，而發酵與生物質轉化正為 isoprene 與丁二烯等單體開啟新供應路線。這個領域在技術上具有前景、在商業上具有相關性，但仍受限於規模化經濟、回收困難，以及在高要求應用中達到性能對等的需求。

參考文獻

• •

  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