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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
*[email protected]
n 影片觀賞
本實驗影片由國立大甲高中提供。
影片網址:行動電化學蝕刻──印台和金屬書籤的製作,http://youtu.be/r5Ei3VAOrnE,YouTube。
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。
圖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 長10 cm)
4. 鐵鉗(90 mm,斜口)
5. AB膠
6. 中形博士端子(寬1.3cm x 長3.6 cm) 1個
7. 石墨塊(長6.2 cm x 寬2.0 cm) 1塊
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條
11. 棉花棒
12. 砂紙(200#)一張
13. 磷酸鋰鐵電池(13.2V,2.3Ah) 1組
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。
圖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。
圖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。
圖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。
圖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。
圖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。
圖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。
圖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
圖9和10為不同材質的書籤作品。
圖9:不鏽鋼材質的書籤
圖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]和[2]所示:
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。
我是个南京的孩子,无意中看到老师的课,受益匪浅!老师的课非常棒,讲课很用心,很有趣!谢谢!