屋頂上的環保小鬥士「IP創新贏」

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小贏說：

看到3M，最先想到什麼呢？口罩，便利貼，掛鉤……除了這些超接地氣的產品，在對抗霧霾的戰鬥中，3M又出新招了，不過，這次是在我們似乎不會注意的地方——屋頂！

在《時代》週刊評選出的2018年度50大新產品中，大多都有炫酷的外形，但有一個看起來不太起眼。

這是什麼？

看起來就是一堆碎石子！

這些小石子有什麼？

小贏來公佈答案：

學名叫“屋面顆粒”，

它用在屋頂瓦片的表面。

不過在普通的瓦片上並不能看到這些屋面顆粒，它們特別地用於一種叫玻纖胎瀝青瓦（下稱瀝青瓦）的瓦片。

瀝青瓦的歷史可以追溯到150多年前的北美地區，有人用瀝青制的產品鋪在斜屋頂上作為瓦片使用。如今，以玻璃纖維氈為胎體，經浸塗優質石油瀝青後，一面覆蓋屋面顆粒（彩色礦物粒料），另一面撒以隔離材料的瀝青瓦，已成為北美地區60%以上的斜屋面覆蓋材料。

瀝青瓦具有良好的防水、裝飾功能。色彩豐富，形式多樣，質輕面細，施工方便。而它的缺點主要是易老化、對於風力承受能力有限、阻燃性較差。時間長了，原本光鮮亮麗的屋頂可能就變成這樣了……

屋面顆粒引入和改進的初衷就與解決上面的難題有關。而今天的主角——3M抗煙霧無眠顆粒（3M Smog-Reducing Granules）則具備了特別的新技能，可以號稱“環保小鬥士”。

再來看看它低調的外觀。藍灰色，略帶油味，典型粒徑0。84-2。0 mm，比重2。55-2。70，主要成分是石英安山石（佔總質量的95-98%）。

也許你會奇怪，3M公司不是做淨化領域出名嗎？也要進軍建築領域了？

其實，3M的全稱為 Minnesota Mining and Manufacturing Company（明尼蘇達礦務及製造業公司）。屋面顆粒的基礎原料就是礦物顆粒，這可是3M的傳統業務。

1970年，3M在屋面顆粒方面的一個重要專利申請獲得授權（US3528842A），涉及一種具有含銅化合物包覆層的屋面顆粒，這些銅化合物在酸性條件下微溶於水，可從載體上逐漸浸出，能夠長時間保持不利於藻類和真菌生長的條件，從而解決潮溼地區瀝青瓦等屋面材料上因藻類和真菌的生長產生褪色和條紋痕跡的問題。

鋪墊了這麼多，下面終於要來揭曉屋面顆粒化身環保小鬥士的奧秘了。雖然這些顆粒是《時代》週刊評選出的2018年度50大發明之一，但3M在2000年就對該技術申請了專利，並於2003年獲得授權（US6569520B1）。3M於2007年在中國提交了相似的屋面顆粒的專利申請，不過由於申請較晚，最終以駁回失效。

與前面提到的具有含銅化合物包覆層的屋面顆粒結構相似，這些抗煙霧顆粒也具有多層結構。

其中的光催化活性包覆層含有光催化劑奈米顆粒，它就是這些環保小鬥士的秘密武器。光催化劑可以是二氧化鈦（TiO2）、氧化鋅（ZnO）、氧化錫（SnO2）等，最優選為銳鈦礦型二氧化鈦奈米晶。當暴露在陽光下時，光催化劑能夠產生自由基，將空氣中的氮氧化物（NOx）汙染物轉化為可被雨水沖洗掉的離子（NO3-）。

應用到屋頂瀝青瓦中是這樣的。

不過，根據上述專利文獻的記載，這些顆粒開發的初衷依然是抑制藻類在瀝青瓦上的生長。而如今，3M正式將這種顆粒推向市場，則源於空氣汙染問題的日益嚴峻。霧霾的主要組成為二氧化硫、氮氧化物和可吸入顆粒物。氮氧化物（NOx）對環境的危害作用極大，它既是形成酸雨的主要物質之一，也是形成大氣中光化學煙霧的重要物質和消耗臭氧（O3）的一個重要因子。1940 年至 1960 年間發生在美國洛杉磯的有毒煙霧汙染大氣的事件是世界有名的公害事件之一。在國內霧霾開始嚴重的2013年初，有研究表明受汙染地區空氣中含大量氮有機顆粒物。

3M向勞倫斯伯克利國家實驗室提交了顆粒和瓦樣品進行評估，測試驗證了其在減少煙霧和促進空氣淨化方面的功效。

Malarkey Roofing是第一家將3M的抗煙霧顆粒用於瀝青瓦的製造商。考慮到對成本的控制，每片瓦中僅使用5%的抗煙霧顆粒，但是這5％足以為每個屋頂提供相當於“三棵樹”對空氣中氮氧化物汙染物的轉化能力。

3M 表示Malarkey的產品已經減少了相當於 100，000 棵樹減少的煙霧量，並希望明年達到 200，000 棵樹的量，後年達到 400，000棵樹的量。

讓我們再來看看這秘密武器“光催化劑”是何方神器？大家如果遇到過怎麼除甲醛的問題，可能都會聽說過“光觸媒”這個東西。這個詞來源於日本，“觸媒”就是催化劑的意思，“光觸媒”也就是光催化劑了，其中最具代表性的便是二氧化鈦。從對抗藻類生長到轉化空氣汙染物，當然還有我們生活中聽聞的各種光觸媒產品，它真有如此大的威力嗎？

1967年，日本東京大學的本多健一教授及其學生藤島昭發現了用光照射二氧化鈦單晶體電極可進行水的電解反應，即“本多-藤島效應”，開創了光催化研究的新篇章。

對這一發現最初的期待是能夠在解決能源問題方面有所貢獻。但利用紫外燈照射將水分解成氧氣和氫氣的效率過低，還不具備實用價值，不足以作為新能源使用。而二氧化鈦在吸收太陽光或照明光源等可見光後，具有很強的氧化性和親水性，形成強氧化的自由基，這使得二氧化鈦有著理想的抗菌、空氣淨化、水淨化、防汙防黴的能力。

2000年前後，奈米技術的發展極大提高了光催化劑的催化活性，含有光催化劑的各類功能產品也開始逐漸進入市場。三菱材料公司申請並獲得授權的專利記載了一種可淨化氮氧化物的鋪路磚（US5861205A）以及鋪路結構（US6454489B1），其表層含有一定量的二氧化鈦。這與3M的抗煙霧顆粒的構思是比較相近的。路面和屋頂都是能夠最大範圍暴露在日光下的場所，有利於光催化劑發揮作用。

從技術上說，抗煙霧顆粒的設計、作用機理並非新事物，從專利到研究論文，都廣泛地涉及了以二氧化鈦為代表的光催化劑在淨化空氣方面的用途。但可能由於成本或者轉化效率等因素，並沒有實現規模化的應用。在一篇相關報道中，3M指出其不會討論對這種新型抗煙霧產品的收入預期。這似乎是一種更偏重公益性質的產品。報道中還提到帶有抗煙霧顆粒的瀝青瓦在洛杉磯地區的推廣使用，而洛杉磯近期要求所有新的住宅屋頂需要使用有助於環保的材料。

由3M這樣專業的企業生產抗煙霧顆粒，從技術上提供保障，並結合相關政策的支援，推廣使用，才更有可能基於“一次一個屋頂”（one roof at a time）的理念達到治理空氣汙染的積極效果。這也可以引領建築材料行業開發在細微而普適的地方發揮環保作用的新材料的潮流。

另外，想象著屋頂的環保小鬥士們在忙碌地處理汙染物，我們也應該從小事兒做起，低碳生活，綠色出行呢~

本文作者：

國知局審協北京中心化學部 朱晶瑩

注：本文為作者授權原創首發，文中觀點僅代表作者個人觀點，未註明圖片均來自網路搜尋引擎。文中ZL……為中國專利號 ，US為美國專利公開/公告號，WO為國際專利公開號 ，

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