文、圖/廖旭茂 國立大甲高級中學化學科教師

不銹鋼指甲剪(左)和菜刀(右)的化學蝕刻的Logo

▲利用化學蝕刻的兩項家用物品Logo

蝕刻(Etching)是在物體的表面,以化學強酸腐蝕、機械拋光研磨或電化學電解的方式,進行加工處理,除了增加美觀外,更可提高產品的附加價值。蝕刻的應用範圍廣泛,從企業的Logo,到藝術品的設計;從傳統金屬加工,到高科技的半導體製作。透過各種蝕刻技術,可以創造各種專屬的圖騰。

本實驗採用電化學濕式蝕刻法,係利用家庭生活中簡便可取得的器材(電線鱷魚夾棉花棒)、方便充電的USB 行動電源,以及無害的電解質(食鹽水),組合而成「行動電化學蝕刻裝置」,此裝置可以在金屬表面上進行自製圖案的蝕刻,例如:不銹鋼餐具、鑰匙圈或金屬書籤等。學生可以在家中在父母的監督下,完成行動蝕刻裝置的製作及電化學蝕刻的實驗,學生也可以在學校老師的指導下在教室中完成。

本文除描述「行動電化學蝕刻裝置」的製作方法外,並且詳細地說明此實驗所涉及的原理與概念,以及教師教學和家長指導的提示。

家用產品

  1. 12000 mAh USB 行動電源(mobilepower) 1 個【購自3C 商店】
  2. USB(含線約30 cm)1 條【購自3C商店】
  3. 鱷魚夾(紅、黑兩色,含線約20 cm) 2條【購自電子材料行】
  4. 焊槍和焊錫 1 組【購自電子材料行】(可省略不用)
  5. 注射針筒(1 mL 容量) 2 條【購自藥局】
  6. 棉花棒 1 支【購自藥局或超商】
  7. 單芯線電線(0.5 mm,約30 cm 長)【購自電子材料行】
  8. 厚金屬片(銅金屬片、鎳金屬片或不銹鋼器具)【購自五金行或建材行】
  9. 卡典西德(博士膜) 1 張【購自文具店】
  10. 小美工刀 1 支【購自文具店】
  11. 食鹽(Sodium chloride, NaCl)【購自超商或取自廚房】

製作行動蝕刻裝置

  1. 取一條長約30 cm 的USB A 型公插座,剪斷非公插座的一端,拆開約2 公分長的電線塑膠外皮,裸露四條不同顏色(紅、白、綠和黑)的電線。白色與綠色電線為傳輸資料用,本實驗不必用到,剪去此兩條電線。紅色與黑色電線為電源線,紅色電線為正極,黑色電線為地線,兩線的電位差為5V。USB 型公插座內部觸點的示意圖,如下圖所示。USB A 型公插座內部觸點的示意圖                     ▲USB A 型公插座內部觸點的示意圖
  2. 取鱷魚夾導線紅色和黑色各一條,剪掉兩條導線的一端,剝去電線的塑膠外皮。然後,分別與USB 的紅色和黑色兩條電線相連接,並焊接固定在一起。在焊接後,用膠帶纏繞使之絕緣。完成USB 電源傳輸線與鱷魚夾導線的連接,如下圖所示( 註:若無焊槍和焊錫,則可以用手指以旋轉方式連接USB 電線和鱷魚夾導線)。USB 電源傳輸線(左),與極鱷魚夾兩端接線(右)           ▲USB 電源傳輸線(左),與極鱷魚夾兩端接線(右)
  3. 先準備一支1 mL 的注射針筒,移去注射推拉桿,從前端插入一根棉花棒的木柄。再取一條長約30 cm 的單芯線,兩端各剝去5 公分長的塑膠外皮。然後,在注射針筒內用此條單芯線貫穿,單芯線裸露銅線的一端在針筒的前端,並環繞棉花頭數圈固定,棉花頭緊緊地頂住針注射前端;單芯線的另一端環繞棉花棒的木柄數圈。以黑色鱷魚夾夾住此單芯線的銅線,插入USB A 型公插座到行動電源,完成行動電化學蝕刻裝置,如下圖所示。行動蝕刻筆(左)和完成行動電化學蝕刻裝置(右)              ▲行動蝕刻筆(左)和完成行動電化學蝕刻裝置(右)

實驗步驟

  1. 先準備一張10 × 10 cm的博士膜,從電腦輸出一張鏤空的文字或圖案(例如:「Hito」),貼在博士膜上。再以小刀割開鏤空的部份,然後轉貼到欲蝕刻的金屬表面上,如下圖所示:▲用博士膜製版(左)和轉貼到金屬表面上(右)            ▲用博士膜製版(左)和轉貼到金屬表面上(右)
  2. 在一杯含100 mL 的自來水中,加入一茶匙的食鹽(約6 公克),攪拌均勻備用。
  3. 用紅色鱷魚夾住金屬片(銅金屬片、鎳金屬片或不銹鋼器具),用黑色鱷魚夾住蝕刻筆。接妥行動電源後,以棉花棒沾取少量食鹽水,輕輕接觸金屬片的裸空的文字或圖案。數秒後,仔細觀察棉花棒上發生的變化。緩慢地沿著裸空筆畫前進,約3 分鐘後,以衛生紙擦乾表面,即完成電化學蝕刻過程。
  4. 移去博士膜,被蝕刻的文字或圖案(例如:「Hito」)隨即出現在金屬表面上,再用酒精擦拭蝕刻處。完成的金屬蝕的文字,如下圖所示。蝕刻過程(左)和蝕刻完成圖(右)            ▲蝕刻過程(左)和蝕刻完成圖(右)

安全注意及廢棄物處理

本次實驗所用的行動電源的USB 連接埠標準輸出電壓為5V,屬於低電壓,比9V 鹼性電池安全。但由於行動電源的品質參差不齊,務必挑選有品牌的正廠電池方有保障。
每次電解蝕刻後,棉花棒應以自來水清洗乾淨,可重複使用。

教師教學和家長指導提示

  1. 本次實驗採用隨處可得的USB 行動電源或具有USB 插槽的個人行動載具(小筆電等)當作電源,除此之外亦可使用9 V的鹼性電池等。
  2. 在電化學蝕刻前,必須先用酒精擦拭清潔被蝕刻的金屬表面,以去除油脂。
  3. 在撥開USB 傳輸線後,與鱷魚夾導線連接時,必須先用一小塊的膠帶絕緣各個電線後,再用膠帶纏緊,以預防兩線接觸而短路。
  4. 為防止蝕刻文字或圖案擴散,博士膜必須緊貼金屬表面,而且棉花棒沾的鹽水量不宜過多。

原理與概念

本實驗的蝕刻筆連接電源的負極(黑色鱷魚夾),蝕刻金屬表面連接電源的正極(紅色鱷魚夾),蝕刻筆的棉花棒處沾鹽水溶液。此電化學的電解反應是在鹽水溶液得到電子,發生還原反應,產生少許的氫氣;被蝕刻的金屬表面失去電子,發生氧化反應,產生金屬離子,使鏤空的金屬表面略呈凹陷狀。金屬蝕刻的電解反應之反應式,如下所示:

陰極(負極,蝕刻筆的鹽水):2H2O(l) + 2e → H2(g) + 2OH(aq)
陽極(正極,蝕刻的金屬):M(s) → M2+(aq) + 2e

若電解液改為醋酸,氫離子的還原電位比水分子為高,則電解反應所需的電壓減少,反應時間可縮短。若蝕刻的對象為鎳金屬,且鱷魚夾反夾,則電解反應所需的電壓增加,固定功率的行動電源之反應時間會延長。


金屬活性越大,蝕刻所需的電壓越低,電化學蝕刻的電解反應越容易進行。金屬的活性大小:Zn > Fe > Ni > Cu,Zn 的活性最大,蝕刻所需的電壓最低;Cu 的活性最小,蝕刻所需的電壓最高。


若蝕刻的金屬為不銹鋼(含鎳金屬和鐵金屬),蝕刻筆接負極(黑色電線),則可發現棉花棒的前端變成黃綠色,此乃在不銹鋼金屬鏤空處發生鎳金屬氧化反應,產生黃綠色的四氯化鎳離子錯合物([NiCl4]2-), 而且鐵金屬發生氧化反應,產生鐵離子,形成黃褐色的氯化鐵(FeCl3), 如下圖之左所示。若蝕刻的金屬仍為不銹鋼,蝕刻筆接正極(紅色電線),則可發現棉花棒與單芯線連接處呈現藍綠色,此乃單芯線的銅金屬發生氧化反應,產生銅離子(Cu2+),形成藍綠色的氯化銅(CuCl2),如下圖之右所示。

若蝕刻的金屬為不銹鋼,蝕刻筆接負極時棉花棒前端出現黃綠色和黃褐色(左),蝕刻筆接正極

▲若蝕刻的金屬為不銹鋼,蝕刻筆接負極時棉花棒前端出現黃綠色和黃褐色(左),蝕刻筆接正極時棉花棒後端出現藍綠色 (右)

參考資料

  1. Ma r c e l De d a lu s , How t o Ma k e an Electrochemical Etching,http://www.ehow.com/how_12008429_make-electrochemical-etching.html#ixzz2jm5f3Gyx.
  2. Universal Serial Bus (USB),http://en.wikipedia.org/wiki/USB.
  3. 柯賢文編著,腐蝕及其防制(初版),民國84 年,全華科技圖書,193-208。
  4. 蝕刻法,台灣大百科全書,http://taiwanpedia.culture.tw/web/content?ID=7353.
12/30/2013 10:11

當日人數:1  累積人數:56650

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廢水?(不就是食鹽水而已...)
是說單心線棉花頭上產上的氧化反應嗎?
 @@ - 01/01/2014 12:35



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