Vol. 17 鈦餐具 V.S. 不鏽鋼餐具 @ Adagio 華順文化

ADAGIO 華順文化微雜誌第十七期

鈦餐具 V.S. 不鏽鋼餐具

鈦是科學、乾淨且珍貴的金屬，現階段，消費者或許不太適合用不銹鋼思維來看待鈦....，目前全世界鈦的消費大宗還是集中在航太、國防與化學工業，只有極為少數被用在餐具上。

I. 金屬餐具的進步歷程

第二次世界大戰結束後，駐紮關島美軍患有老年痴呆的機率偏高，經過調查後發現是關島地下水鋁離子含量偏高所導致，事後通過改為飲用雨水，或是從其它島嶼運淡水過來後，患病的比率馬上明顯下降，這是金屬鋁有毒之說的開始。另外，日本紀伊半島地區的居民罹患阿兹海默症的比率也是偏高，而該區域之地下水鋁離子的含量被證實也是有偏高的現象，事後通過改善飲水設備，結果患病者的比率也就跟著下降了。雖然至今，鋁離子是否就是導致阿兹海默症的真正元兇，醫學界至今仍沒有最終的定論，但是有誰願意拿自己的健康當兒戲呢？關於鋁中毒詳細請參考：國家環境毒物研究中心文章。

1980年代以前臺灣的餐具主力就是金屬鋁，所以當時臺灣鋁業公司的業績實在好到不行。我們日常生活中其實很多食物也都含有鋁，為此，國家食品藥物管理署也有對鋁的添加進行了相關規範，請參考：食品添加物使用範圍及限量暨規格標準。在腎臟健康的情況下，食物中符合國家規範的含鋁量都可以被腎臟順利排除。但是如果社會已經進步到可以提供更乾淨的金屬，我們又何苦仰賴腎臟來替我們排毒呢？

1980年代以後300系的不鏽鋼材料，例如304號開始被大量使用作為餐具的材料。不鏽鋼是合金材料，以304號不銹鋼為例，其成分計有鐵(68%)、錳(2%)、鉻(18%)、鎳(11%)、碳(0.08%)等等…。不鏽鋼確實比鋁更適合做餐具，不鏽鋼之所以可以作為餐具是因為不鏽鋼表面有一層富鉻氧化膜，這層富鉻氧化膜不但無毒而且隔絕了不鏽鋼與食物直接接觸。

使用鋁金屬做餐具會導致鋁中毒

但是這層富鉻氧化膜不耐酸，所以不鏽鋼餐具不適合裝酸性食物例如檸檬、醋酸、中藥等…。此外，不鏽鋼的富鉻氧化膜也會因，不正確的洗滌例如使用金鋼刷，被湯匙刮傷、及日復一日的使用，進而造成破裂，最後導致不鏽鋼成分中的重金屬滲入食物中。

不鏽鋼餐具不是不能用，而是要留意！！這種材料其實是有壽命的，作為餐具一般而言以不超過五年為佳。消費者可以做一個簡單的實驗，那就是把一個使用多年的不鏽鋼餐具擦乾後，放置三到四週，如果表面有鏽斑那就表示這個餐具表面的富鉻氧化膜其實已經被破壞得差不多了。

不鏽鋼的富鉻氧化膜一旦發生破洞，重金屬就會滲入到食物中

會造成不鏽鋼富鉻氧化膜破裂的金鋼刷

一旦不鏽鋼的富鉻氧化膜有破洞，重金屬例如錳、鎳就會滲入到食物中，錳雖然是人體必須的微量礦物質之一，但過量，還是會引發記憶障礙，甚至是帕金森氏症。而部分的鎳化合物則會致癌。不鏽鋼還有一個問題，那就是當不鏽鋼餐具內的水量較少時，飲水時會口中感覺到一股令人不舒服的金屬臭味，這是不鏽鋼表面微量鐵生鏽所導致。

2010年代比不鏽鋼更乾淨、更適合做餐具的純鈦，這種以往被列為國防管制的金屬，材料價格有很大幅度下降，這使得鈦餐具不再是天上的一朵雲。純鈦因為抗強酸、強鹼，所以不但不易腐蝕、也不會與食物發生反應，是目前地球上所發現最乾淨的金屬，正因為如此，所以植牙時所用的螺絲，或是骨折時所用的接骨板，材料都是純鈦。純鈦餐具即便被湯匙刮傷，或是透過金鋼刷洗滌，露出來的還是無毒的原材料，所以很適合作為金屬餐具。此外，因為純鈦不會與水或食物起反應，所以純鈦餐具不會產生任何金屬異味。用純鈦餐具盛水，飲用起來與逆滲透水沒有差別。

純鈦是比不鏽鋼更乾淨，更適合作為餐具的金屬

純鈦的餐具如果表面只是簡單拋光，有髒污時可以直接用洗碗精、茶仔粉、或橘子工坊產品清洗。用金鋼刷也無妨。鈦餐具很容易會沾指紋或是水漬，只要再洗一次並且擦乾，指紋與水漬就會消失。單層餐具可以放在瓦斯爐上直接加熱，雙層的不行。萬一不小心單層餐具被空燒了，餐具會先變黃、之後變藍。但請放心，這些顏色是二氧化鈦薄膜所導致的發色現像，沒有毒可以繼續使用。

單層鈦碗因為不小心空燒造成的發色現象，是二氧化鈦，無毒，不影響使用。

鈦的菜瓜布

鋼絨海綿菜瓜布很適合用來洗鈦餐具

社會的進步是由一波接一波的創新所推擠，例如鐵路的發明、電腦、網路及手機的發明都是。金屬餐具的進步也是，材料從早期的鋁、不銹鋼進步到現在的純鈦。我們來打個比喻，若以乾淨度來看，假設純鈦是100分，則不鏽鋼大約是85分，而鋁就是60分。不鏽鋼發明已經超過100年，但是一直到1980年代，臺灣才開始大量消費不銹鋼餐具。然而一直到現在，比鈦更乾淨的金屬並沒有被發明出來，所以未來二十年、甚至於三十年，比鈦更乾淨的金屬餐具出現在市場的機率其實微乎其微。

鈦礦在地殼中的蘊含量遠低於鐵礦，還原提煉的成本也比鐵礦高很多。地殼內元素蘊含量排名，其中金屬的排名依序為：鋁(8.13%)、鐵(5.00%)、鈣(3.63%)、鈉(2.83%)、鉀(2.59%)、鎂(2.09%)、鈦(0.44%)，鈦礦的蘊含量只有鐵礦蘊含量的9%，所以要期望鈦價格降到與不鏽鋼價格相同其實有很大的困難。純鈦的材料成本大約是不銹鋼的10 ~ 20倍，做成餐具後大概是不銹鋼的 3倍，所以未來二十年，平價金屬餐具的市場主流仍然非不銹鋼莫屬，高級金屬餐具才會是鈦。

小太陽

目前市場上還沒有使用純鈦的電鍋，但使用316不銹鋼的電鍋至少比傳統鋁電鍋好。

II. 純鈦金屬

目前全世界對於鈦金屬的消費有超過50%是用在國防武器上面，美國的比例甚至於高達70%，而且絕大部分是鈦合金(Titanium Alloy)而非純鈦(Commercially Pure Titanium)，事實上，純鈦是鈦家族中的少數族群而且是價格便宜的。純鈦在600℃時會發生自燃，因此純鈦的粉末可以作為煙火的材料。純鈦因為這種高活性特性使然，所以在自然界，純鈦不會以金屬的型態存在，而是以類似寶石的金紅石(TiO₂)和鈦鐵礦(FeTiO₂)等穩定的氧化物形式存在。

1795年普魯士王國科學家克拉普羅特(Klaproth)研究金紅石(Rutile)時發現了鈦金屬，並以希臘神話的泰坦(Titans)為其命名。1950年代美國透過鎂還原法開始商業量產海綿鈦原料(Sponge Titanium) ，目前全球四大海綿鈦生產國分別為俄羅斯、中國、日本及美國。海綿鈦進一步被熔化精鍊成高純度的鈦碇，之後鈦碇又再被軋成鈦板及鈦條供下游廠商生產鈦餐具。

鈦寶石-04 海綿鈦

天然鈦寶石原礦，鈦金屬的氧化物鈦金屬板的提煉原料，海綿鈦

高純度鈦棒高純度鈦板

海綿鈦02

海綿鈦生產工廠

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高純度鈦錠提煉工廠

常溫下，純鈦的晶格是六面體結構(Hexagonal)，稱為阿法鈦(α Titanium)，溫度升高到880℃後，材料的晶格結構會轉變為體心結構(Body-center cubic)，稱為貝塔鈦(β Titanium)。在純鈦中植入氧分子可以提高材料的強度，但是伴隨而來也降低了材料的延展性。一般而言，0.1 wt % 的氧約會使鈦強度提高100~120MPa。

按照氧含量的多寡，商業用純鈦可分為4 級(Gr.1~Gr.4) 。Grade 1純鈦的氧含量低於0.18 wt %，具有強度低、延性佳及成型性好等優點，主要用於建築物屋頂、餐具及板式熱交換器等。Grade 2 純鈦的抗拉強度介於350~450MPa。Grade 3純鈦強度約介於500~600MPa之間，主要用於化工用壓力桶槽。Grade 4是四種純鈦中強度最高者，強度約接近700MPa，主要用於一些緊固件。

根據美國ASTM-B265號規範的標準，各等級的商業純鈦其純度如下表：

	N (氮) wt%	C (碳) wt%	H (氫) wt%	Fe (鐵) wt%	O (氧) wt%	純度 wt%
Grade 1	0.03	0.10	0.015	0.20	0.18	99.5以上
Grade 2	0.03	0.10	0.015	0.30	0.25	99.3以上
Grade 3	0.05	0.10	0.015	0.30	0.35	99.2以上
Grade 4	0.05	0.10	0.015	0.50	0.40	98.9以上

其餘殘留金屬總和低於0.4wt%

304號不銹鋼成分

Mn (錳)

Cr (鉻)

Ni (鎳)

Fe (鐵)

C (碳)

P (磷)

不銹鋼

0.08

0.045

純鈦在常溫下會在金屬表面會形成一層保護層氧化膜TiO₂且損傷後還能再生，這層穩定的氧化膜讓純鈦有很好的耐腐蝕能力，可以抵抗潮濕的環境、海水、含氯溶液、次氯酸塩、硝酸、鉻酸及一般氧化性酸環境。但是純鈦不耐鹽酸與硫酸，除非在裝鹽酸與硫酸之前，先讓純鈦表面產生一層厚度夠厚的氧化膜。

純鈦的密度4.506 g•cm⁻³，304不銹鋼的密度8.03 g•cm⁻³。所以純鈦的重量只有同體積304不銹鋼的0.54倍。而純鈦的比強度是76 kN•m/kg，304不銹鋼則是63 kN•m/kg，這意謂純鈦比不銹鋼容易斷裂。純鈦的楊氏模數是110 GPa，304不銹鋼則是190 GPa，這意謂純鈦的彈性比不鏽鋼好。純鈦的熱導率是22 W/mk，而304不銹鋼是 16 W/mk，這意謂純鈦在空間上的傳熱能力比不鏽鋼好。純鈦的體熱脹冷縮係數是26 (10-6k-1)，而不銹鋼則是30 ~ 52(10-6k-1) ，這意謂純鈦的熱脹冷縮情況比不鏽鋼小。純鈦的比熱是544 J/(kg．k)，用相同的瓦斯爐來煮水，純鈦餐具的溫度上升速度大概會比304不銹鋼餐具快4倍。純鈦的維氏硬度是970 MPa，304不銹鋼則是455 MPa，所以純鈦的硬度幾乎是304不銹鋼的兩倍。

生物相容性的好壞是指外來的物質進入人體後，是否會與人體血液、器官發生反應進而引發過敏、中毒等等現象。主要的考慮項目包括血液相容性、組織相容性。生醫材料在人體內被要求必須：無不良反應，不會引起凝血、溶血現象，活體組織也不會發生炎症、排拒、致癌等現象。

純鈦具有良好的生物相容性，植入人體後不會析出離子、也不會與人體內的組織發生生理反應，所以植牙的鈦螺絲可以在牙床上放置30年。此外，因為純鈦的楊氏模數比不銹鋼更接近人類的骨骼，所以使用純鈦材質的接骨板或義肢，因為應力分布不均所造成的骨質流失，會比使用不銹鋼材質的接骨板來得輕微，復原後，純鈦接骨板甚至於可以不用取出，可免去再一次動刀的痛苦。再者，鈦不具鐵磁性，對於植入鈦金屬醫療器材的病人，可以安全地接受核磁共振成像的檢查。

純鈦沒有毒性，即使大劑量時也是如此，鈦在人體中不會發生任何自然作用。據估計，人每天會從食物或環境中至少攝取約0.8毫克的鈦，這些鈦多半會在沒有被吸收的情況下就順利排出體外，這是純鈦為何很適合作為餐具的主要原因。此外，鈦可以刺激碳水化合物的合成進而促進植物生長，因此大部分食用植物的含鈦量約為2 ppm。

沖壓成型

利用沖壓成型技術把鈦板塑型成鈦餐具

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沖壓成型的鈦餐具

鈦餐具在製作過程免不了會刮傷材料表面，餐具把手的電焊過程甚至於會產生發色現象，這雖然不影響使用，但是為了商品美觀起見，餐具製造工廠通常會採用拋光工法或噴砂工法來掩飾生產過程所衍生的表面瑕疵，採用拋光工法的餐具表面通常摸起來比較光滑，而採用噴砂工法的則摸起來會感覺摩擦力稍大。

我們曾經對日本Grade 1的商業(工業)純鈦進行初步檢驗，我們使用場發射電子顯微鏡作檢驗，因為我們的檢驗設備精度大約只能到1wt%，所以低於1wt%的元素無法被解析出來，實驗的結果令人滿意，只有看到鈦金屬，沒有驗出其他的金屬元素。目前用來製作餐具，純度99%的 Grade 1 純鈦已經是很乾淨、很高級，價格不斐的材料了。所以，市場倘若還在期待餐具製造商使用純度99.99 %以上的靶材級純鈦來做餐具的話，最終恐怕會變成不切實際的等待，因為用靶材級純鈦做的杯子其成本一定會破萬新台幣。註：靶材是指半導體製程中或真空濺鍍製程中會用到的一種材料，通常是金屬，這種材料的純度必須非常非常高，但是也很昂貴。

Ti-1

Ti-2

對日本 Grade 1 純鈦做初步檢驗，只驗出鈦，沒有進一步驗出其他成分的金屬

日本頂級純鈦(99.2%，TP-270)與雷射鈦寶石圖案。百年不褪色、不脫落。

III. 奈米級二氧化鈦的光觸媒效果

鈦的科學意涵代表乾淨、無毒。純鈦在常溫下會在金屬表面會形成二氧化鈦薄膜TiO₂，一般自然狀態下在鈦金屬所生成的二氧化鈦薄膜厚度大約是3 ~ 7 nm。同理，如果透過人工奈米技術生成薄膜厚度小於25 nm 的二氧化鈦，這時，這個二氧化鈦薄膜就會俱有光觸媒殺菌的效果，因為根據量子效應，材料的厚度薄，其電子導帶與價帶能隙大，光觸媒效果佳。所以厚度過厚的二氧化鈦反而光觸媒效果不好。

二氧化鈦薄膜

光觸媒的原理是，當二氧化鈦吸收波長436 nm的紫外線或波長比436nm短的紫外線後，材料的電子會從低能階的價帶躍遷到高能階的導帶，在導帶的這個電子會變成帶負電的自由電子，而留在價帶的空缺則形成一個帶正電的電洞。這個自由電子會很容易與空氣中的氧氣〈O₂〉反應成〈O2^-〉，而電洞則很容易搶奪空氣中水分子〈H₂O〉的電子，結果產生很不穩定的氫氧自由基〈OH〉。而這個很不穩定的氫氧自由基〈OH〉卻又很容易與外來的有機物反應產生二氧化碳〈CO₂〉與水〈H₂O〉。

光觸媒

光觸媒殺菌示意圖

自然界的病毒、及大部分的臭味都是有機物，所以病毒或臭味很容易會被氫氧自由基〈OH〉支解進而達到滅菌的效果。雖說如此，但現實上要讓鈦餐具表面的光觸媒產生殺菌效果可能還有很大的努力空間。首先，是我們家中的日光燈、LED燈能提供具有光觸媒效果的紫外線能量其實很低，而太陽光的功率中也僅5%是紫外線。鈦餐具表面的光觸媒效果多多少少肯定是有一些，但具體功效如何？那一種病毒殺得死？那一種病毒殺不死？未來可能還需要更多的研究數據才來佐證。

我們曾經做一個很簡單的實驗，我們用小量杯把約10 c.c.左右的牛奶分別倒入鈦碗(左)、不鏽鋼碗(中)、瓷碗(右)中，放在半日照的窗台48小時，結果這三個碗的牛奶都乾掉了，我們用湯匙把乾掉的牛奶挖開，發現不銹鋼碗與瓷碗的牛奶已經發酵並且出現酸味，但是鈦碗的牛奶還是乳香，這並不是很嚴謹的實驗，也沒有量化的數據，但是我們猜測鈦碗表面的光觸媒應該有發揮一些功效，因為實驗很簡單，有興趣的消費者不妨試試看，如果您的實驗結果剛好跟我們相反，也請您不吝讓我們知道。謝謝您。此外，裝過海鮮的鈦碗，用洗碗精洗淨後，再日照兩個小時，幾乎可以去除90%以上的異味，這也是光觸媒帶給我們的好處。

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白光LED光譜

鈦碗牛奶實驗_s

分別倒入鈦碗(左)、不銹鋼碗(中)、瓷碗(右)，約10 c.c.牛奶，48小時後觀察發酵情況

一般正常的情況下在鈦金屬表面所生成的二氧化鈦(TiO₂)薄膜是透明的，所以對沒有再進一步進行特殊處理的鈦餐具而言，餐具的表面會呈現銀灰色的純鈦原色。另外，讓鈦金屬在高溫下接觸高濃度氮氣可以會讓產品呈現高貴的亮金色，這種類似黃金的顏色是氮化鈦(TiN)薄膜所導致，氮化鈦薄膜的工業用途一般是用在增加鈦產品的硬度、導電性及抗磨損特性上，氮化鈦無毒，但是否具有光觸媒效果？目前科學界還沒有定論。

氮化鈦

金色的氮化鈦薄膜的用途在於增加鈦的硬度、導電性及抗磨損

關於更詳細的光觸媒的特性，消費者可以參考科技部的文章：原來光觸媒是這麼回事。

鈦的毛細孔現象很明顯，舉個例子來說明，假如我們把咖啡粉直接放入鈦碗中水煮，咖啡的分子會微量滲入到鈦碗的表面。倒掉咖啡渣並且把鈦碗清洗乾淨後，倒第二道清水進入這個鈦碗，放在瓦斯爐上再煮一次清水，結果會發現剛才微量滲入鈦碗的咖啡分子又被第二道清水煮出來了，所以第二道清水會呈現微量的淡淡咖啡色，但是下次再煮第三道清水時就不會有顏色了，第三道水是清澈透明的。這也意謂水煮其實就是純鈦餐具最有效的清潔方式。

單層的鈦餐具可以放在瓦斯爐上直接加熱，但是雙層的鈦餐具不適合放在瓦斯爐上直接加熱。純鈦因為比熱比不銹鋼高四倍、熱傳導也比不銹鋼好，所以加熱時溫度上升很快，但是停止加熱時溫度也會下降得很快。如果我們使用純鈦製作一個大面積的平底煎鍋，那麼煎鍋中間底部有火焰直接加熱的部位，溫度會上升得很快，但是外圍沒有火焰直接加熱的部分，卻會因純鈦材料快速散熱的特性緣故，導致溫度不足，這會使得煎鍋中間部位的食物可能已經燒焦了，但是煎鍋外圍的食物卻還沒有熟。煮水就沒有這樣的問題，所以約820 C.C.左右的大鈦碗剛好很適合煮一碗鍋燒薏麵。

IV. 歐盟的金屬餐具檢驗規範

SGS是一家來自瑞士成立超過百年的檢驗機構，也是目前世界上公認最具公信力的檢驗公司。歐盟在2013年有特別針對金屬餐具訂定Resolution CM/Res (2013)9 的規範，內容是是把煮沸的檸檬酸溶液倒入餐具後維持將近100度C的溫度，持續24小時，然後檢驗檸檬酸溶液中23種元素的含量，並規範這23種元素含量的上限，單位是mg/kg，這個含量上限的標準分別為鋁(5)、锑(0.04 )、砷(0.002 )、鋇(1.2)、鈹(0.01)、鎘(0.005)、鉻(0.25)、鈷(0.02)、銅(4)、鉛(0.01)、鋰(0.048)、鐵(40)、錳(1.8)、汞(0.003)、鉬(0.12)、鎳(0.14)、銀(0.08)、鉈(0.0001)、錫(100)、釩(0.01)、鋅(5)、鎂(-)、鈦(-)。

檢驗的程序會連續做三次，第一次與第二次的精神是驗證餐具有沒有清洗乾淨，所以按歐盟的規定，第一次與第二次的元素總和只要不超過規範的七倍數值都算合格。關鍵是在第三次，第三次才是餐具真正的檢驗值。

從上面的數據我們不難看出各種元素對人體的傷害程度不一，對人體傷害程度越低的元素，被允許的毫克數就訂得越高，例如鐵或錫。持平而論，這個標準是針對一般的金屬餐具例如鐵餐具、不鏽鋼餐具或是鋁餐具而訂定的。純鈦是優等生，只要純鈦的板材成份符合美國ASTM-B265號的Grade 1規範，這23種元素的檢出值就會幾乎都是零。

我們的餐具在第一次與第二次的檢驗中，發現含有很微量的砷，這應該是送驗前我們用水龍頭的水清洗所造成的殘留，但在第三次的檢驗中，除了鈦金屬，沒有再驗出任何其他殘留的重金屬或是有毒物質。

19 裸杯 01