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天然石材是怎麼來的?當天然石 PK 人造石的優缺差異在哪?

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/04/07 ・3624字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 權創國際 委託,泛科學企劃執行。

擁有美麗自然紋理的大理石、花崗岩是不少居家裝潢時會選擇的石材。但你聽過「天然石材會有輻射傷害人體、致癌」這個說法嗎?

其實在我們生活中,到處都有天然背景輻射、地表輻射、氡氣、宇宙射線,就連我們體內也有微量的放射性物質。這代表我們從土壤、岩石、呼吸空氣、搭飛機或吃東西等等都會接受到輻射,甚至建築物使用的石材也會對室內輻射量的多寡造成些微差異。

今天我們就來談談室內裝潢中常用的天然石材、人造石材,它們是怎麼形成的?以及,既然輻射無所不在,那輻射量達到多少才需要擔心呢?

世衛組織 WHO 建議住宅氡標準為每立方公尺 100 貝克,最高不宜超過 300 貝克每立方米,根據 WHO 資料顯示在 100 Ba/m3 標準下,可以將室內氡氣暴露的健康危害降到最低,而根據原能會輻射偵測中心的調查結果,使用花崗岩建材時,其實僅有約 14~48 貝克/立方米,也就是天然背景輻射雖然有高有低,但這些變化的程度都屬微量,接近於天然背景輻射,或是盡量能保持通風,產生的輻射量就更不會對人體造成影響,不用過度擔心。

天然石材怎麼形成

花崗岩屬火成岩,是岩漿侵入地底後,在深度超過 3 公里的地下深處緩慢冷卻、結晶所形成的。大理石的主要組成是碳酸鈣,屬於變質岩的一種。變質岩為地殻中已有的岩石,受到反覆的溫度、壓力或岩漿的化學流體的「變質作用」影響,因此改變成分結構與礦物排列方式,生成特殊的礦物以及變質構造。

不過並不是達到變質條件,就會有相同的作用!不同的溫度壓力、岩石種類,都會形成不同的變質岩。例如在 300~450℃、兩千至七千倍大氣壓的環境下,會形成以綠泥石、白雲母為主的綠色片岩相;而在溫度相近,但壓力卻提高至七千至一萬三千倍大氣壓的環境時,卻會出現僅於超高壓環境下生成的藍閃石與其他指標礦物所組成的藍色片岩相。

像台灣花蓮瑞穗出產的「竹葉石」,就是含有藍閃石礦物結晶的高壓變質岩,依地質學家研究推測,竹葉石原本是海洋底部的沉積物與火山物質混合所形成的岩石,變質溫度與壓力可達 510℃,10~15kbar(約 15000 倍大氣壓力),又因為與菲律賓海板塊碰撞而被隱沒到地底 50 公里深處,最後又在極短的時間內被抬升至地表。

而近年在室內設計界流行的「奢石」風潮,這些如寶石一般的透光天然石材,成了全球豪宅爭相收藏的頂級大自然藝術品,其實也是不同程度的變質岩,那為什麼能透光呈現華麗又透明的外觀?和大理石又有什麼不同呢?

生活中的常見的大理石,是從石灰岩變質而成。石灰岩主要是由過去的珊瑚礁、生物碎屑(如貝殼)所形成,因為是沈積岩,孔隙率約為 10% 甚至更高,其中主要成分碳酸鈣(化學式:CaCO3)結晶顆粒小、排序雜亂,因此光線很難穿透,但受到溫度壓力的變質作用,其中的碳酸鈣經過重新結晶生長,這些晶體就是方解石,是碳酸鈣的穩定形態,而形塑了緻密的大理石紋理。

其中少數變質岩經過長時間作用且結晶完整,具有方向性排列,顆粒大的結晶光線容易穿越,才能透出不一樣的質感,並且若是帶有少量不同礦物成分,也會影響結晶呈現的色彩,像是帶有黑雲母或碳而呈現灰黑色,含錳或鐵而呈現粉色或紅色系等等,這些半透明、透光的外觀加上色彩紋理特殊的岩石,才被稱為頂級「奢石」。

照片授權/佳聯石業

重新結晶的晶體,彼此緊密鑲嵌在一起,也能大幅降低孔隙率,孔隙率的差異大大影響石材本身的吸水率,不易染色,也就能保持較好的抗污能力。

照片授權/佳聯石業

人造石材與天然石材

從建材使用的角度來看,天然石材美麗的色彩和紋理外觀固然吸引人,還依據質地硬度、孔隙度標準有所分別。

石材的硬度評判標準,是依據 1812 年德國礦物學家 Frederich Mohs 提出,硬度值越大越硬。

大理石硬度值約 3~4 度,花崗石約在 5~6 度,鈦鋼石則在 7~8 度。

大理石相對質地較軟,可塑性強,多半會用在室內牆面或藝術雕塑品,來營造居家空間質感。花崗岩又硬又耐磨,建築外牆、庭院、陽台地板等等地方都很常見。

這些千變萬化的天然石的各種性質取決於「自然」,也就是不同岩場所生產的岩石,全憑自然環境經年累月生成。再者大多數天然石本身的毛細孔多,使用一段時間後不但光澤黯淡,還容易吸水發霉,長期紫外線曝曬容易導致石材褪色。維護保養就成為裝潢時的最大課題。

既要長久保持美觀又具防水防潮防霉特質的石材,於是有了吸水率更低、毛細孔更少的人造石。人造石是利用「加工」手段做出類似大型石板的建材,透過結合碎石或石粉以及人工膠、樹脂等黏著劑,一起放入機器高壓 、震動、抽真空來形成「大板石材」。比如:人造石英石,結構為 90~96% 天然石英及 4~10% 環氧樹脂低溫壓製而成。人造大理石,結構為 60~70% 天然石粉及 30~40% 環氧樹脂原石硬化成型。

人造大理石雖然解決了天然大理石因為孔隙率大而有吸水發霉的問題,但人造石畢竟是使用膠合,還是有不耐高溫,不耐磨,時間長久後泛黃等等問題。再則,畢竟是人工仿造的紋理,其美感自然也不如天然石材。

鈦鋼石天然石與人造石的完美綜合

那有既有天然大理石優點又有人造大理石優勢的石材嗎?

其實有的!它的形成方式是模擬天然大理石的變質作用,只是這個變質作用是透過一種稱為「精密分子燒合技術」的人工技術,用於製造新興建材的。其原理是模擬岩石本身受到強烈的壓密,讓岩石間的礦物顆粒緊密的鑲嵌在一起。不需耗時數百萬年,能將完成時間壓縮到短短兩週。

「精密分子燒合技術」的建材製造,以天然花崗岩為原物料,將岩石中的各種礦物分離、磨碎、烘乾。之後將粉末按比例均勻調配,再送入特製的液壓機,以 2.4 萬噸的的壓力壓合原料粉末成型,接著再以 1230 度的高溫加熱板材,模擬出超越自然界需要耗時百萬年的變質作用,直接將粉末轉變為極為緻密且堅固耐用的材料,使原材料與石材擬真紋理完美結合,甚至可以刻畫出如玉石般通透質感,而且這過程完全不需要添加任何人造的環氧樹脂黏合。

簡單來說就是用近似花崗岩的純天然原料,模擬天然大理石的變質而成。像是義大利研發的次世代建材 INFINITY 鈦鋼石,就是這種「天然再製建材」。既可以擁有天然大理石的視覺美感,還有超高硬度,和人造石一樣抗污、防霉、零毛孔,同時又比人造石耐高溫,而且不含膠!

照片授權/權創國際
照片授權/權創國際

結語

經過實測證實鈦鋼石比一般人造石更好,而且鈦鋼石還取得歐盟認證的建築材標章。鈦鋼石因為集輕質、抗污好清理、耐磨耐刮、超低吸水率、抗酸醶,不吃色,性能、美觀、實用(耐用)兼具集眾優點於一體,多種空間都適用,像是油煙較重的廚房除了做為牆面,也可以用在廚房流理台、隱形爐具爐面等枱面。像是較為潮溼的衛浴空間裡的牆面、浴缸、洗手枱都可以依喜好規劃使用。此外,像是飽受日曬、雨淋、強風刮拂、碳排放及各種空污懸浮粒沾染催殘的建築外牆、地坪也很合適。

照片授權/權創國際

鈦鋼石因為集輕質、抗污好清理、耐磨耐刮、超低吸水率、抗酸醶,不吃色,性能、美觀、實用(耐用)兼具集眾優點於一體,多種空間都適用,像是油煙較重的廚房除了做為牆面,也可以用在廚房流理台、隱形爐具爐面等枱面。像是較為潮溼的衛浴空間裡的牆面、浴缸、洗手枱都可以依喜好規劃使用。此外,像是飽受日曬、雨淋、強風刮拂、碳排放及各種空污懸浮粒沾染催殘的建築外牆、地坪也很合適。

照片授權/權創國際

綜上所述,天然石材有其無法輕易取代的美感,而且在使用上也沒有謠傳的致癌疑慮,所以仍然是許多人心目中的首選,而鈦鋼石在美感方面盡心追求,更在品質方面致力於打造最高規格的產品,實測過後也證實,鈦鋼石比一般人造石更好,並且還取得歐盟認證的建築材標章。

大家不妨到義大利 INFINITY 鈦鋼石台灣總代理商位於新北八里的體驗館,親自感受鈦鋼石的天然與人造綜合的薄板藝術科技與創意魅力。

照片授權/權創國際
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從奈米微塵到化學氣體, HEPA 與活性碳如何聯手打造純淨空氣?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/17 ・4433字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文由 Amway 委託,泛科學企劃執行。

很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網
在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢 / 圖片來源:envato

到底怎樣才算是「乾淨」?這不是什麼靈魂拷問,而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞,甚至能成為台積電(TSMC)決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中,雖然不需要生產精密晶片,但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密,卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康,你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此,空氣議題早已超越單純的環保範疇,成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是同一件看起來平凡無奇的東西:一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信,就憑這層厚度不到幾公分的板子,能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎?

這片大家都聽過的 HEPA 濾網,裡面到底是什麼?

首先,我們必須打破一個直覺上的誤解:HEPA 濾網(High Efficiency Particulate Air filter)在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5,是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物,它們能穿過呼吸道直達肺泡,並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本,在工廠與汽車尾氣中,還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1,甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」(UFP,即 PM0.1)。 UFP 不僅能輕易進入血液,甚至能繞過血腦屏障(BBB),進入大腦與胎盤,其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣,單靠孔目大小來「過濾」粒子,那麼為了攔截奈米微粒,濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡,一般人認為的「乾淨」,在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米3 奈米(相當於頭髮直徑萬分之一)的晶片而言,空氣中一顆微小的塵埃,就是一顆足以毀滅世界的隕石。

因此,傳統的過濾思維並非治本之道,我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形,最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身,誕生於曼哈頓計畫!

1940 年代,製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而,若將排氣直接排向大氣,會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾(Irving Langmuir),他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」(Absolute Filter),其內部並非有孔的篩網,而是石綿纖維。

有趣的來了,如果把過濾器放到顯微鏡下,你會發現纖維之間的空隙,其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢?這是因為在奈米尺度下,物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時,並非走直線,而是會受到空氣分子撞擊,而產生「布朗運動」(Brownian Motion),像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時,布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動,最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時,靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客,就這樣被永久禁錮迷宮中。

現在最常見的 HEPA 材料,是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間,它們在濾網內隨機交織,像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後,並非僅僅面對一層薄紙,而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層,微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外,HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵,那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀,中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐,目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒,而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺:過濾不是越快越好嗎?

其實,這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管,如果你捏住出口,水流會變得湍急;若將出口放開並擴大,雖然總出水量不變,但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言,當表面積越大,單位面積所需承載的空氣量就越少,空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久,增加被捕捉的機會。此外,越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」,延長了使用壽命,這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

然而,即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter),但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ,其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物,去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念?塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子,大小約在 2 至 200 微米;細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米,細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」,大多數的病毒(如流感、新冠病毒)都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說,基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上,它更獲得英國過敏協會(Allergy UK)認證,能有效處理 19 大類、102 種過敏原,濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」 / 圖片授權:Shutterstock

然而,同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中,硼是常見的 P 型摻雜物,用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕,進而釋放出極微量的硼離子,就可能直接污染晶圓,改變其導電特性,導致晶片報廢。

此外,無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA(超低穿透率空氣濾網) 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中,任何多穿透的一顆微塵,都代表著一筆不小的經濟損失。

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率,材料學家搬出了塑膠界的王者,PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕,還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維,其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕,但它既昂貴且物理上也很脆弱,安裝時若不小心稍微觸碰,數萬元的濾網就可能報銷。因此,你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此,在空氣濾淨系統中,還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網,就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附?

好不容易將微塵擋在門外時,危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王:AMC(氣態分子污染物)

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒,但面對氣態分子時,就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般,能輕易穿過物理濾網的縫隙,其中包括氮氧化物、二氧化硫,以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物(VOCs)。

為了對付這些幽靈,我們必須在物理防線之外,加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同,這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理(Impregnation)」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質,在活性碳上添加不同的化學藥劑:

  • 酸鹼中和:對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體,會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑,透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之,如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑,就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
  • 物理吸附與凡德瓦力:對於最麻煩的有機揮發物(VOCs,如甲醛、甲苯),因為它們不具酸鹼性,科學家會精密調控活性碳的孔徑大小,利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力(凡德瓦力),像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。
活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附? / 圖片來源:Amway

空氣濾淨的終極邏輯:物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境,活性碳的運用並非「亂槍打鳥」,而是一場極其精密的對戰策略。

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告,像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝,打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區(Photolithography),晶圓最怕的是人體呼出的氨氣,此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和;而在蝕刻區(Etching),若偵測到酸性廢氣,則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯,是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中,雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析,但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯,正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網,更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳,科學界有個關鍵指標:「比表面積(Specific Surface Area)」。活性碳的孔隙越多、表面積越大,其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳,並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理,打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克,但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字,相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積,是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是,它還添加了雙重觸媒技術,能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線,能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體,或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來,成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說,無論是造價百億的半導體無塵室,還是守護家人的空氣清淨機,其背後的科學邏輯如出一轍:「物理濾網攔截微粒,化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作,空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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