行動電化學蝕刻─印台和金屬書籤的製作/廖旭茂、黃維靜

星期三 , 16, 七月 2014 Leave a comment

行動電化學蝕刻──印台和金屬書籤的製作

廖旭茂*黃維靜
國立大甲高級中學
*nacl880626@hotmail.com

 

n  影片觀賞

本實驗影片由國立大甲高中提供。

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影片網址:行動電化學蝕刻──印台和金屬書籤的製作,http://youtu.be/r5Ei3VAOrnEYouTube

n  簡介

早期的蝕刻(Etching)是應用在版畫上,畫家可以在金屬板上先塗上一層蠟,然後以針等尖銳器具,在板上作畫,畫出的線條或輪廓,蠟隨即被刮除,最後將此金屬板製入硝酸或腐蝕液中,除去蠟的部分隨即被侵蝕凹陷;再將蠟清洗乾淨,凹陷的線條可以塗佈各種不同的顏料,完成創作。今天可以強酸腐蝕、電化學電解以及物理電漿蝕刻的方式,進行各種材質的表面加工。透過化學濕式的蝕刻,通常需要用到強酸或強鹼等高腐蝕的溶液,在美麗的背後通常都要付出不小的代價。

電化學蝕刻是利用外加電壓的方式,讓金屬(通常為活性小或不易氧化的合金)在電解質溶液中氧化,慢慢溶解,進而使金屬表面出現具有立體凹凸的圖案。本實驗之教具的開發,可免去消耗大量腐蝕液以及處理的顧慮,符合減量、減廢的綠色化學原則。

n  藥品與器材

本實驗所需相關材料,如圖1所示。

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1:本實驗所需相關材料

1.          矽利康膠

2.          電鑽

3.          彈簧(直徑8 mm x 10 cm

4.          鐵鉗(90 mm,斜口)

5.          AB

6.          中形博士端子(寬1.3cm x 3.6 cm 1

7.          石墨塊(長6.2 cm x 2.0 cm 1

8.          原子章(約與印台大小相當)

9.          橡皮筋

10.      電源導線(黑線一端為香蕉插頭,一端為鱷魚夾子;紅線兩端皆為夾子)紅黑各1

11.      棉花棒

12.      砂紙(200#)一張

13.      磷酸鋰鐵電池(13.2V2.3Ah 1

n  實驗步驟

一、蝕刻印台的製作

1.        用電鑽,在原子章把手的頂部鑽出一個洞,直接貫穿此把手。接著裝入一個博士端子當電源插座,並以AB膠黏著固定,如圖2所示。

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2:博士端子插座接合到把手的圓洞

2.        用鐵鉗剪一小段適當長度的彈簧,插入此把手的洞內,此彈簧有一端接觸到博士端子且有一小段突出把手的外面,如圖3所示。

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3:裁剪一段適當長度的彈簧,連接插座與印台

3.        準備一個與原子章的印台大小相當的石墨塊,經適當砂磨後,塗上矽利康膠,裝入印台內面的塑膠殼內。此時,突出的彈簧頂住石墨塊,四周以矽利康膠固定,用橡皮筋綁住,如圖4所示。

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4:印台塗上矽利康固定並防水

4.        在連接插座與石墨印面,以膠布壓緊,暫時固定,以AB膠黏著穩固連接處。

5.        乾燥後,移去橡皮筋和膠布。

6.        製作完成的蝕刻印台,如圖5所示。

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5:組裝完成的蝕刻印台

二、金屬書籤的製作

1.      取一片事先印製設計的卡典西德膠膜,貼在一個金屬片(鐵或銅合金)的表面,行動電源電源的負極(黑線導線)與蝕刻印台的插座連接,電源的正極(紅線)以鱷魚夾夾住金屬片。本次實驗使用的電源為磷酸鋰鐵電池,圖6為電解時電源兩極與插座和金屬片連接的方式。

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6:電池的負極連接蝕刻印台(黑線),正極連接金屬片(紅線)

2.      於金屬片上放置一塊化妝棉,並以裝有硫酸鈉溶液的點滴瓶沾濕棉布,隨即以印台輕壓棉布,電解時間約2分鐘,仔細觀察電解過程。圖7為電化學蝕刻的過程。

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7:在電化學蝕刻中,棉布上出現泡泡,應為氫氣。

3.      移去電源,以鑷子夾起棉布,上殘留藍色及棕色的字跡。以乾棉布輕拭金屬片表面,接著撕去卡典西德膠膜。以乾棉布沾少許粗臘,沿同一方向推拭至金屬表面光亮即可。圖8為蝕刻完成時,掀起棉布時的,棉布表面的外觀。

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8:銅合金的蝕刻正極反應殘留的藍色與棕色的字跡外觀

n  實驗結果

910為不同材質的書籤作品。

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9:不鏽鋼材質的書籤

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10:黃銅材質的書籤

n  原理與概念

本實驗係利用電化學電解原理,使用一個自製的蝕刻印台,在一塊事先貼好膠膜的金屬表面上,隔著以鹽水沾濕的棉布,數分鐘內隨即完成電化學蝕刻實驗。若蝕刻的金屬為銅片,則其兩極的反應,如式[1][2]所示:

 

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在電化學蝕刻後移去電源,以鑷子夾起棉布,上殘留藍色及棕色的字跡,研判應為陰極(負極)生成的氫氧根離子與銅等金屬離子生成氫氧化物的沉澱,其反應如式[4]所示。

n  安全注意及廢棄物處理

l  本實驗使用完畢的化妝棉,因沾有少許重金屬,請依實驗室廢棄物規定,統一回收處理

n  參考資料

1.      Ectching, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Etching.

2.      柯賢文。民國84年。腐蝕及其防制。初版,193-208。全華科技圖書。

3.      廖旭茂,家庭化學實驗:行動電化學蝕刻。科學研習月刊,2013,卷52,期11,頁16~19

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