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作者：胡仕儀/工研院

一、摘要

合成橡膠是透過煉製化石原料進行合成的材料，其性質可根據應用需求進行調整，例如提高抗水性或抗油性等。因此，合成橡膠廣泛應用於工業、醫療和消費者市場。目前全球合成橡膠的總產量已經超過天然橡膠，占全球橡膠市場需求的六成以上。

二、合成橡膠技術發展與應用趨勢

自2015年聯合國宣布「2030永續發展目標」以來，永續發展的潮流已席捲各行各業。在此浪潮下，歐盟於2023年10月正式啟動碳邊境稅(CBAM)試行，進一加速產業推動循環經濟和淨零科技研發。合成橡膠主要依賴不可再生的化石原料製成，生物降解率極低，用棄後的處理方式通常為掩埋、焚燒，甚至將永久存在於自然環境中。如何在不影響性能和品質的前提下減少對化石原料的使用，成為當前研發機構和廠商關注的核心議題。相關的技術發展方向包括：利用生物質來源的單體原料，如:使用農作物和木材等生物質廢棄物，經過水解後的醣發酵製成生物乙醇，再透過合適的催化劑進行脫水和加成反應，最終產生乙烯和丙烯，用以製造三元乙丙橡膠；採用生物基填料，如:引入澱粉(如木薯澱粉、玉米澱粉等)、纖維素(來自仙人掌、細菌等)、角蛋白(如羊毛、鳥羽等)、膠原蛋白、椰殼粉以及紅甜菜根粉等作為填充劑，使廢棄的合成橡膠具有生物降解性質，提升其生物降解能力，從而減少對環境的汙染；使用天然橡膠替代品，如:使用銀膠菊、蒲公英等，並進行填料改性以滿足不同應用需求；自癒能力技術(Self-healing Material, SHM)，開發合成橡膠，使其具有自我修復能力，以延長使用壽命。這些技術的發展有望推動合成橡膠產業向更環保和永續的方向轉變，符合全球永續發展的趨勢。

(一)以生物質單體作為原料之合成橡膠

固特異(Goodyear)與Visolis合作開發生物基異戊二烯，傳統異戊二烯通常由原油精煉而成，然後加入催化劑形成聚異戊二烯，作為輪胎製造基礎原材料。Visolis則是開發由生物廢物中(如木質纖維素原料)生產異戊二烯。

(二)合成橡膠中之生物基填料

炭黑在橡膠填料市場中占有最大份額，目前已有相關研究單位評估大豆皮(soybean hull)，認為其具有成本效益且永續的替代填料。譬如:日本鶴岡工業高等專門學校(Tsuruoka National College of Technology)，發現大豆皮經過碳化後，大豆殼碳顆粒可增加增加橡膠混合物中的導電率。美國的ARDL(Akron Rubber Development Laboratory)也經由大豆皮在不同氛圍(氮氣或真空)、溫度、以及烘烤時間的實驗，以掌握大豆皮碳化的最適條件(滿足成本與替代碳黑能力)，最後的實驗指出，大豆皮碳化後可取代部分碳黑成分，且因比重較低，可降低終端應用產品重量。

(三)仿生合成橡膠(天然橡膠替代品)

德國知名的應用科學研究機構Fraunhofer應用聚合物研究所(Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research, IAP)的團隊，利用蒲公英開發出一種仿生合成橡膠，名為BISYKA，其性能優於天然橡膠。該團隊指出，蒲公英的生長周期僅為三個月，相較於橡膠樹的七年生長週期，具有明顯的優勢。BISYKA中95%的聚異戊二烯來自蒲公英，其餘部分則由蛋白質或脂質等有機成分組成。此外，他們採用了新型的二氧化矽填料，取代了常見的碳黑，使其在卡車輪胎應用中具備卓越的機械性能。團隊進行了實際測試，將四個搭載BISYKA胎面的輪胎安裝在一輛真實車輛上，朝同一方向行駛 700 圈，接著以相反方向行駛 700 圈，將結果與天然橡膠輪胎進行比較。研究發現，經過測試後，天然橡膠輪胎的重量減輕了 850 克，胎面減少了 0.94 毫米，而BISYKA輪胎僅減輕了 600 克，胎面減少了 0.47 毫米。BISYKA合成橡膠的滾動阻力更優越，整體評分勝過天然橡膠輪胎。此外，該團隊還提到BISYKA合成橡膠可在現有的工廠和工業設備中進行大規模生產，這意味著BISYKA不僅是天然橡膠的優秀替代品，還可以應用於高性能卡車輪胎。

(四)合成橡膠自癒技術

合成橡膠的自癒技術被預期應用於汽車工業，包括輪胎、汽車內飾和管線等領域，其可有效降低車輛維修服務成本。例如，自癒橡膠輪胎具有卓越的抗刺穿性能，其中的自癒橡膠材料能夠通過外部刺激，如加熱或摩擦動作，實現自我修復。傳統輪胎製造過程中採用硫化來增強聚合物的結合力，進而延長輪胎的使用壽命並提高彈性。然而，若以碳和氮代替硫，即可使橡膠材料在一定的溫度下與時間內實現自我修復(視製程而定)。這種改進使得橡膠材料能夠承受足夠的壓力，超越了目前橡膠輪胎所需的標準。

三、結論

隨著全球淨零減碳的浪潮，合成橡膠的主要應用領域─輪胎，正朝向高性能和環保方向發展。當前合成橡膠的技術趨勢主要聚焦在降低石化原料使用，以生物質單體原料合成橡膠及開發天然橡膠替代品。自癒合成橡膠可延長材料壽命並減低維護成本，而合成橡膠生物基填料，一方面可提高合成橡膠降解率，可避免環境污染，減少垃圾掩埋量，並進一步產生可用燃料(甲烷)；另一方面可以減少化石原料之填料使用。多元的新興合成橡膠技術勢必帶動未來的創新應用與市場變革。