由于二氧化碳具有无毒、无色、无臭、不导电、不燃、不易产生化学反应、可液化／固化、易贮存、便宜、对人体无害等优点，因此不断开发出以二氧化碳做为媒介的干式清洗技术。

丨 简介

温室效应罪魁之一的二氧化碳成为广泛讨论的话题。其实在我们周遭无处不在的二氧化碳并无原罪，而是人类不当使用天然资源与过度工业化，使地球环境的碳循环遭到破坏，因而造成全球气候暖化使然。二氧化碳并非一无是处，它在食品业已广泛用来制造碳酸饮料，做成干冰以保存食物或制造烟雾特效，还可用来灭火。
   二氧化碳其实是工业副产品，如发酵工业、石化业制程中都会产生的高浓度二氧化碳，经收集纯化、压缩液化后可以储存使用。二氧化碳的使用并不会提高温室效应，反而把原拟直接排放的二氧化碳经过适当利用后再排放，这个利用过程会产生利润而抵销部分的碳税。基于减少排放的考量，会有愈来愈多的二氧化碳被收集、储存，意味着液化二氧化碳的价格会愈来愈便宜，也会吸引更多科学家开发它的新用途，赋予新价值。
   由于二氧化碳具有无毒、无色、无臭、不导电、不燃、不易产生化学反应、可液化／固化、易贮存、便宜、对人体无害等优点，因此不断开发出以二氧化碳做为媒介的干式清洗技术。依其使用时的物理状态，可区分为以下4种清洗方式：干冰粒喷洗法、干冰砂喷洗法、液态二氧化碳清洗法、以及超临界二氧化碳清洗法。

干冰粒喷洗法

   干冰的制造技术开始于1930年代，1940年代美国海军尝试以大豆般大小的干冰粒做为喷击的介质，用来去除油脂。经过不断的研发，至1980年代才有商业化的应用，主要用作机身蒙皮的除漆，这方法不但有效又不损伤铝合金底材。
   突驰科技干冰清洗法的主要原理，是以高速气流喷出干冰冲击工件表面以去除污物，干冰在喷击后就逸散至大气中，不似高压水或高压蒸气有残留水的二次废弃物处理问题。在常压下，固态二氧化碳在华氏零下109度就升华为气体，利用这项物理特性，干冰在喷击后变为气体消失，只留下待丢弃的污染物。它的洗净机制约略可归纳为以下几点。

动能　

如同喷砂、喷塑胶粒、喷玻璃珠等方法一般，干冰粒喷洗法是利用动能的转移达到洗净的目的。干冰的动能来自本身的质量与速度，由于干冰的硬度相当低，撞击能必须依赖高速度，通常是超音速才有效果。与喷砂法不同的是喷砂类似于用冰凿，而喷干冰类似于用抹刀。砂把污物切离或凿开，干冰则是刮除，因此不易伤及基材表面。

温度差异

因为干冰升华的温度只有华氏零下109度左右，撞击表面涂层时，产生温度差而有热冲击现象，在低温时表面涂层会变得易碎而易于剥离。这种热冲击效应在喷击金属基材上的非金属涂层时，尤其显著。

升华作用　

当干冰粒撞击瞬间升华为气体时，在几毫秒内体积会扩充为原来的800倍，有如在撞击点产生微爆炸效果，加速硬质涂层的破裂。
  干冰粒喷洗法适于去除表面涂层、黏着物、油脂、涂料、焊渣等，并已应用在金属及复合材料的清洗，如橡胶、合金、玻璃纤维、砖块、塑胶、陶瓷等。干冰粒喷洗法只能用来去除松散附着的氧化物或盐类，却无法除掉紧密黏着的氧化物，如顽锈等。喷干冰不会对表面产生蚀刻效果，但也无法如超音波水洗法般有效地清洗大量的小元件。
   干冰粒喷洗法因具有机动性、操作容易、高效率及符合环保等优点，已成功地应用在铸造业、橡胶制品业、食品工业、印刷业、半导体业、电力与电机机械业、核能工业、航太、汽车、造船、大众运输工具等。
 

干冰砂喷洗法

   干冰砂喷洗法同样使用干冰做为清洗媒介，但其颗粒较细如砂，而且松散如雪花般，也有人称它是干冰泥。干冰砂的形成是利用当高压液态二氧化碳通过微细喷嘴而喷出时，液态二氧化碳会急速膨胀至气态，过程中会大量吸热而使部分的二氧化碳快速冷却成为固态的干冰，与高速气流混合后同时喷出。从喷嘴喷出的二氧化碳固气混合流体有极高速度，理论上足以去除小至0.03微米的微粒。由于干冰砂较干冰粒软且细小，因此较适合用来清洗不耐冲击、易碎、柔软的材质。
   干冰砂喷出时因高速气流而产生的空气动力，以及干冰砂撞击工件表面时的动量转换，足以克服微粒的表面黏着力而把它移离工件表面。此外，藉由干冰砂撞击受压后短暂变成液态CO2产生的溶剂效果，以及对于污染物的急冷产生冷冻脆裂效果，都有利于去除薄油膜层或组织松散的有机薄膜。这种温和的喷洗方式，尤适于对外力敏感又需要精密洗净的微电子、微机械、光电、半导体等元件。
   1976年国外气体厂就开始研究制造干冰砂的方法与设备，但直到1990年代台湾突驰科技二氧化碳清洗应用的研究才蓬勃发展，并已商品化应用在晶圆、半导体元件、光罩、平面显示器、光纤、磁碟机、天文望远镜等的洗净用途上。

液态二氧化碳清洗法
二氧化碳在常温下的液化压力约64个大气压，这时的密度约0.7克／立方公分，但表面张力极低只有0.55达因／公分，尤其具有很好的溶解力，因此可当做溶剂使用于工件或纺织品的清洗用途上。
    TOOICE突驰液态CO ₂清洗法的基本原理，是把待洗工件或衣物放进高压洗净槽中，盖上槽盖后排除槽内空气，接着引入液态CO ₂使充满洗净槽，这时可利用超音波、搅拌器等机械式手段去除污物。对于难溶于二氧化碳的无机、亲水性污染物，大多添加助溶剂或界面活性剂以加强去污能力。
    清洗后含有污物的液态CO ₂排放至分离槽，成为气态失去溶剂特性而与污物分离，污物沉淀在分离槽槽底可集中处理，分离后的气态CO ₂经过冷凝器成为液态可重复使用。洗净槽内残留的二氧化碳气体，可回收至接近大气压时再排放掉，待完全降至大气压时，就可开启槽盖取出洗净的工件或衣物。
    液态CO ₂清洗法主要用来取代有机溶剂清洗法，以避免使用如电子、通讯、光电业所用的HCFC，或衣物干洗业所用的氯化溶剂、石油系溶剂等。液态CO ₂清洗法与传统使用水或溶剂清洗的主要差异是：不需要烘干步骤，液态CO ₂经减压后就成为气体自工件表面脱离；属于干式清洗制程，完全不用水；不需废水或废液处理设备，95％以上的CO ₂可回收再利用，分离出的浓缩污物可直接做终端处理或回收；属于高压常温制程，不会破坏对热敏感的材质；采批式方式，无法进行连续式操作。
    美国有多家公司在1990年代开发出商用液态CO ₂干洗机，并以洗衣连锁店方式拓展北美地区市场。传统干洗业使用的四氯乙烯溶剂是致癌物，石油系溶剂则有易燃、易爆及造成不孕症等缺点，而且易挥发，且会残留在食品、饮料中。相较之下液态CO ₂清洗法更为环保、健康、安全，因此美国加州已立法补助使用二氧化碳设备的业者，并限定2018年以后干洗业禁用四氯乙烯。
 

突驰超临界二氧化碳清洗法

    常见纯物质有固、液、气三相，于气－液共存时，液相密度大于气相密度，当系统温度及压力达到某一特定点时，气－液两相密度趋于相同，两相合并为一均匀相。这一特定点就定义为该物质的临界点，所对应的温度、压力则分别定义为该物质的临界温度、临界压力。若超过这临界点，无论压力如何增加都无法使它液化，温度如何升高也无法使它返回气相，我们称这种高于临界温度及临界压力的状态为超临界态，在这状态下的流体称为超临界流体。
    超临界流体具有低表面张力、低黏度、高密度、高扩散性的独特性质，尤其可操控的溶剂特性使它成为有机溶剂及水性溶剂的最佳环保替代品。许多气体甚至水都可做为超临界流体，由于二氧化碳具有无毒、无色、无臭、不燃性、对人体无害、易达到临界点等优点，所以最常被使用。把液态CO ₂加压到超过其临界压力，并加热超过其临界温度后，就成为超临界CO ₂。超临界CO ₂的表面张力、黏度都较液态CO ₂低，而其扩散性、溶解力更高，更适于做为有机溶剂的替代品。
    超临界流体技术最早运用于天然物的萃取，1970年代由于欧洲国家禁止使用二氯甲烷等有机溶剂去除咖啡因，超临界CO ₂开始应用在萃取咖啡及茶叶中的咖啡因、啤酒花的香精等。1980年代的能源危机促进了超临界流体技术的研发，主要应用于食品、聚合物、医药、石化、天然产品等的萃取及纯化分离。及至1990年代因环保意识抬头，以超临界流体取代有机溶剂的洗净技术才开始蓬勃发展。
    长久以来有机溶剂广泛应用于工业清洗程序，CFC（氟氯碳化物）因会破坏臭氧层而被蒙特娄议定书禁用，其替代品HCFC又因会造成温室效应而被京都议定书禁用。新的替代品或替代技术必须能同时满足环保、洗净能力、经济效益等条件，而超临界CO ₂清洗法就是一深具潜力的明日之星。
    超临界CO ₂清洗法极适于清洗精密、微小、有微细孔洞、几何形状复杂的工件，由于超临界CO ₂的低表面张力，使它极易渗入奈米级的深孔、细缝中，把隐藏的污物溶解后带出。此外，它的低黏度特性使它具有极佳的流动性，可迅速润湿被洗工件表面，提高清洗效率。
    水是最便宜的清洗媒介，因其具有强极性，所以适合清洗极性、亲水性污染物（如无机盐类）。而二氧化碳不具极性，因此超临界CO ₂适合清洗有机、弱极性污染物，如切削油、润滑油、介电油、碳氢化合物、氟碳化物、酯、脂肪及蜡等。简单来说，水不易洗干净的油脂类可用超临界CO ₂洗净，而超临界CO ₂不易洗干净的无机类，则甚易以水洗净。
    超临界CO ₂清洗法因需使用高压设备，造价昂贵，因此不适于清洗大尺寸、低单价产品，大多用于清洗精密、微小尺寸、高附加价值的产品，如飞弹的陀螺仪、航空电子元件、精密轴承、硬碟读写头、光纤元件、光学镜片等。此外，它的低表面张力特性极适于清洗多孔性材质，如烧结金属、触媒转化器、陶瓷、铝合金／镁合金压铸件等。某些对水敏感的材质，如铍金属、吸水性塑胶、有机镀膜等，或不耐高温的材质，如生物可吸收高分子、热塑性塑胶等，都适合采用超临界CO₂清洗法加以清洗。
    超临界CO ₂清洗法除了清洗外，尚有杀菌的附加功效。二氧化碳气体具有抑制细菌生长的效果，而高压下的CO ₂可渗透穿过细菌的细胞壁，与水结合形成低酸碱值的碳酸，阻断细菌的新陈代谢而死亡。因此超临界CO ₂清洗法已用来清洗太空用的卫星或登陆艇等元件，以确保无生命体被带到外太空。此外，不适合高温灭菌的医疗器材如内视镜、心律调整器、血液透析管、导尿管、人体植入物等，都可以藉由超临界CO ₂清洗法同时完成杀菌与洗净，目前这项技术正快速发展中。
    纳米科技是近几年相当热门的话题，二氧化碳再一次展现它的神奇妙用－清洗纳米材料或元件。半导体进入90纳米以下制程所面临的技术瓶颈之一，是因清洗液的表面张力太大而破坏微结构或使图案崩塌，利用超临界CO ₂极低表面张力的特性，可当做载体携带特定助溶剂进入纳米级深沟、细缝中，把污染物分解或溶解后带出。目前使用超临界CO ₂于半导体元件的清洗、去光阻、低介电常数材料的干燥等技术的开发正方兴未艾，相信很快就会有商业化的应用。

总结
  二氧化碳的妙用无穷，尚有许多用途等待我们去开发。当世界各国正为温室效应议题而对二氧化碳排放量争论不休时，我们可以从另一个角度看待二氧化碳，其实它是一种可用的资源，如何利用值得大家深思。