臺灣化學教育

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。

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。