當藝術遇見化學:用化學蝕刻製作銅板作品 / 廖旭茂

星期三 , 8, 十一月 2017 Leave a comment

當藝術遇見化學:用化學蝕刻製作銅板作品

廖旭茂

臺中市立大甲高級中學
教育部高中化學學科中心
*
nacl880626@hotmail.com

n  簡介

先前筆者在本期刊《臺灣化學教育》第二十期發表〈大型印台和銅板電化學蝕刻製作〉,利用電解蝕刻(electrolytic etching),使金屬表面出現具有凹凸對比的立體圖案。在楊水平教授的邀請下,在本期「當藝術遇見化學」專題撰寫相關文章,筆者嘗試利用其他化學方法進行蝕刻教學,並設計為化學與藝術結合的特色選修課程教學活動。

進行化學蝕刻可分為兩方面:第一方面是圖案的繪製與設計;第二方面是化學蝕刻。前者學生可以在瀝青或軟蠟等疏水性材料的覆蓋下,自行用金屬雕刻筆刀在銅板上刮除並繪製圖案,筆者在就讀國中時的工藝科的金工課程即是如此。若學生具有美術背景者,藝術效果會較好,製作的圖案具有美感。

學生也可以利用現成繪製設計好的圖案或模板,網路上有很多共享的設計圖提供給一般大眾使用1。關於金屬片貼上圖案的方法有數種,其一是卡典西得貼紙法,主要是,利用割字機,透過電腦設計圖,在卡點西得貼紙上割出圖案,再用鑷子尖端挑去部分貼紙後,再轉貼到金屬板上,相關做法筆者在本刊物已介紹過2。其二是利用雷射印表機,列印圖案到投影片或離型紙上,用電熨斗或覆背機高溫,使轉印圖案製作在銅板上3,再進行化學蝕刻。轉印過程通常會有少許黑色顏料剝離的現象,可以油性奇異筆填補瑕疵。其三是最常用的印刷電路板(printed circuit board, PCB)常用的光阻劑曝光法4,圖案就是先在金屬片上均勻塗佈一層光阻劑(現已有乾膜光阻可用),透用列表機輸出透明片底圖,緊貼放置在金屬片上,再透過紫外光或強日光曝光,讓光阻劑產生光聚合反應,接著用碳酸鈉顯影後,隨即生成正、負片影像。圖1是光阻劑曝光形成影像示意圖。

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1PCB微影蝕刻示意圖

化學蝕刻方面可分為三種方法:強酸腐蝕法、氯化鐵腐蝕法、雙氧水加EDTA腐蝕法。綜合來說,硝酸腐蝕銅板會產生有毒的二氧化氮氣體,必須在排煙櫃中進行,不環保也不很方便,基本上不建議使用,本文不介紹利用硝酸腐蝕銅板來製作銅板蝕刻,僅介紹後兩種;氯化鐵腐蝕的效果最好,不過產生的銅鐵混合廢液不好處理;最後的雙氧水蝕刻,蝕刻速率較慢,不容易在兩節課中完成,好處是反應不產生有毒廢氣,銅離子可以用電解法回收,算是三種化學方法中較符合綠色規範的。

本次實驗利用美術材料行販售的彩繪用塑膠模板,直接貼於銅板上後,以膠帶固定;模板鏤空的部分,隨即被氧化侵蝕凹陷,模板被遮蓋的部分,則維持不反應。兩種化學蝕刻結束後,直接將膠帶撕起,用過的塑膠模板可以重複再使用。用清水沖洗銅板後,完成蝕刻活動。圖2為兩種化學蝕刻比較圖。

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2:兩種化學蝕刻反應過程,圖左蝕刻液為氯化鐵,圖右蝕刻液為雙氧水加EDTA-4Na

n  藥品與材料

本實驗所需藥品和材料:銅片(厚0.5 mm,可依需求裁切出所需尺寸)彩繪用彈性模板(flex stencils透明膠帶塑膠淺盤金屬亮光膏擦拭棉紙雙氧水(30% H2O220 mL0.5 M 乙二胺四醋酸四鈉(EDTA-4Na20 mL1 M氯化鐵(FeCl340 mL

n  實驗步驟

1.        取一購自美術材料行的彈性模板,常用於紙張、陶、木製品的裝飾上色,具有一定的黏性,可穩定黏著於光滑的金屬片上,實驗畢以清水沖洗後晾乾,可再拉起重複使用。同學使用時可依喜好、選取相關圖案。圖3:為市售的彈性模板。

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3:可撕式並重複使用的彈性模板

2.        裁剪一塊大小接近的銅片,用藥用酒精擦拭表面油漬,乾燥後備用。取彈性模板貼在銅片上,接著以透明膠帶黏貼四周與背面。圖4為蝕刻準備圖。

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4:金屬前、後面圖案外的空白處皆以透明膠帶黏貼密封

3.        取一個塑膠淺底盤,置入銅片後,再倒入1 M的氯化鐵溶液約40毫升,溶液量洽蓋過銅片即可,蝕刻過程中銅片會被氧化成難溶於水的氯化亞銅,可事先準備毛刷,輕輕刷除鏤空面的紅棕色沉澱,仔細觀察溶液的變化,蝕刻30分鐘後取出,並以清水沖洗乾淨。圖5氯化鐵蝕刻的過程。

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5:倒入黃褐色的氯化鐵溶液(左),蝕刻10分鐘後溶液漸漸變成綠色(右)

4.        承上步驟,取一塊銅片和彈性模板,以膠帶黏貼穩妥後,用20 mL30%雙氧水和20 mL0.5 MEDTA-4Na混合溶液取代氯化鐵溶液,仔細觀察銅片鏤空處和溶液的顏色變化。推測產生的泡泡為何種氣體?在進行蝕刻30分鐘後,取出銅片,以清水沖洗,並撕開膠帶和模板,模板清洗後陰乾,可供下次使用,圖6為雙氧水進行銅板蝕刻。

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6:剛開始銅板表面產生氣泡(左),一段時間後溶液變成綠色(右)

5.          在步驟34的蝕刻的成品陰乾後,以金屬拋光劑來回擦拭直到光亮為止,最後噴上透明保護漆,做防鏽處理。圖7為成品加工處理。

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7:成品後續加工處理

6.          完成的作品如圖8所示。

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8:學生蝕刻作品:使用氯化鐵溶液(左)和雙氧水加EDTA-4Na混合溶液(右)

n  原理與概念

本實驗利用兩種方法,進行化學蝕刻。第一種方法是氯化鐵的蝕刻、第二種方法是雙氧水加入EDTA-4Na的蝕刻,其原理和概念分述如下。

氯化鐵是中度的氧化劑,多用於銅、鎳金屬的表面處理,尤其是電路板的蝕刻,具有反應溫和,不產生氣泡的優點。若使用其他方法而快速生成的氣泡,則會影響圖案邊緣,滲入保護中的金屬層,進而降低畫面線條的解析度。三價鐵還原成二價鐵的還原電位為+0.77 V,而銅的氧化電位為-0.34 V,由全反應的電位來看,兩者電位差為+0.43 V,大於零。三價的氯化鐵溶液,可以氧化金屬銅,或活性大於鐵的金屬。氯化鐵蝕刻法可能涉及三個反應,如式[1][2][3]所示5,6

FeCl3(aq) + Cu(s) FeCl2(aq) + CuCl(s)    [1]

FeCl3(aq) + CuCl(s) FeCl2(aq) + CuCl2(aq)    [2]

CuCl2(aq) + Cu(s) → 2CuCl(aq)    [3]

雙氧水加入EDTA-4Na的混合液與銅的反應,產生氣泡的速度不快,蝕刻速度亦較慢,產物EDTA與銅的錯合物毒性較小,也較單純,可依電解法回收銅離子。雙氧水屬於強氧化劑,還原成水的還原電位高達1.77 V,幾乎可氧化所有金屬(金離子的還原電位為1.53 V)。雙氧化先氧化銅金屬成為銅離子,而本身還原成水;產物銅離子可催化雙氧水的分解,因此藉由加入EDTA-4Na,與銅離子形成錯合物,根據勒沙特列原理,反應往產生銅離子的方向進行。使用雙氧水加入EDTA-4Na的方法,進行的反應可能如式[4][5]所示,全反應如式[6]所示。此外,原本生成的銅離子會促進雙氧水的分解速率,但是生成的EDTA與銅離子形成錯合物卻能夠抑制雙氧水的分解速率,其反應如式[7]所示。

H2O2(aq) + 2H+(aq) + Cu(s) 2H2O(l) + Cu2+(aq)    [4]

Cu2+(aq) + EDTA-4Na(aq) Cu(EDTA)2-(aq) + 4Na+ (aq)    [5]

——————————————————————————————

全反應:H2O2(aq) + 2H+(aq) + Cu(s) + EDTA-4Na(aq)
2H2O(l) + Cu(EDTA)
2-(aq) + 4Na+ (aq)    [6]

image    [7]

n  安全注意及廢棄物處理

l  本實驗使用完畢的廢液,因含有重金屬,請依實驗室廢棄物規定,統一回收處理

l   若為家庭實驗,含鐵離子與銅離子的酸性腐蝕液,可使用洗滌鹼(碳酸鈉)中和,產生氫氧化銅或氫氧化亞鐵難溶於水的沉澱物。接著用咖啡濾紙過濾、乾燥後丟棄。而濾液可以到入水槽。

n  參考資料

1.      Discover & Download Free Vector Art! https://www.vecteezy.com/.

2.      廖旭茂(2017)。大型印台和銅板電化學蝕刻製作。臺灣化學教育,第二十期,http://chemed.chemistry.org.tw/?p=24182

3.      Suen, R. (2009)。碳粉熱轉印法(Toner Transfer)製作PCB製作方法介紹及能力測試,http://www.qsl.net/bv3fg/tech/TTPCB.htm

4.      Photoresist, https://en.wikipedia.org/wiki/Photoresist.

5.      Iron(III) chloride, https://en.wikipedia.org/wiki/Iron(III)_chloride.

6.      Copper Reactivity: Etching, http://www.schoolscience.co.uk/documentdownload.axd?documentresourceid=245.

 

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