XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Попытка создания альтернативной методики гальванического омеднения в условиях ремесленного труда
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
На сегодняшний день гальванопластика является не только частью металлургической отрасли и ювелирного дела, промышленным получением различных металлических покрытий, и одним из методов ювелирного наращивания слоя драгоценных металлов. В последнее время гальванопластика стала достаточно популярным увлечением среди любителей получить металлические покрытия на неметаллических изделиях, самостоятельного изготовления украшений. В качестве гальванического покрытия можно наносить слой таких металлов как серебро, золото, олово, никель, хром, медь. Нанесение последнего отличается простотой и качеством. В сети Интернет существует большое количество обучающих видео и статей, предложенных любителями медной гальванопластики в кустарных условиях, причем содержание этих материалов сходно, но не одинаково, информация разрознена. Следуя этим рекомендациям не всегда желаемый результат соответствует действительному. Технологический процесс имеет ряд особенностей и тонкостей, соблюдение которых необходимо четко соблюдать, в специальной литературе изложены приемы и методы, которые не всегда есть возможность применить в «домашних условиях» из-за недостатка специальных средств и реактивов. В продаже на торговых сайтах есть готовые наборы для гальванопластики, стоимость которых варьируется от 8000 рублей до 45000, в зависимости от объемов.
Исходя из проблемы, была выдвинута гипотеза - можно провести гальванопластику в «домашних условиях» и создать методику технологического процесса на основании полученных данных.
Цель исследования: сформулировать на основе полученных теоретических и практических данных методические рекомендации проведения гальванопластики в «домашних» условиях.
Объект исследования – гальваническое омеднение неметаллический изделий.
Предмет исследования – возможности и условия получения медных покрытий гальваническим методом с использованием доступных материалов.
Задачи исследования:
1.Произвести критический анализ литературных источников (учебных пособий, справочных пособий, периодической печати, интернет-источников любительских видео и статей); дать характеристику гальванопластике, как электрохимическому методу; изучить области применения;
2. Ознакомится с методикой проведения электрохимических реакций, подготовить приборы и реактивы;
3. Произвести отбор проб для исследования, выполнить подготовительные работы;
4. Провести электрохимическое осаждение меди на поверхность неметаллических изделий;
5. Оценить достоинства и недостатки метода, оценить расходы, связанные с проведением метода, предложить рекомендации.
При проведении исследовательской работы были применены следующие методы: теоретические (анализ и синтез, обобщение и систематизация материалов научной и учебно-методической литературы, периодической печати, нормативно-правовых документов) и эмпирический – электрохимическое осаждение меди на поверхности непроводников.
Теоретическая часть
Гальванопластика – технология получения точных металлических копий различных предметов, путем осаждения разнородных металлов на модели. Основной целью метода гальванопластики является получение точной металлической копии модели, воспроизведение формы предмета, его рельефа, нанесения тонкого покрытия металла. Гальванические покрытия применяются почти во всех отраслях промышленности для защиты деталей от коррозии и получения новых функциональных свойств: повышение твердости, износостойкости, антифрикционной способности. Гальванические покрытия используют для восстановления изношенных деталей, облегчения пайки, они позволяют заменить цветные металлы черными, благородные – неблагородными, дефицитные – распространенными. По механическим свойствам, чистоте, коррозийной стойкости и экономичности гальванические покрытия превосходят все остальные. Возможность регулировать толщину слоя изменением продолжительности процесса и плотности тока, а также уменьшать расход цветных металлов на покрытие поверхности выгодно отличает метод покрытия от других.1
Гальванопластику используют в тех случаях, когда у металлической детали очень сложная форма и обычными способами, литьем или механической обработкой, ее трудно или невозможно изготовить. Так воспроизводят иногда скульптуры по моделям, этим методом изготовлена колесница Аполлона на фронтоне Большого театра.2
Основателем данного метода является Борис Семенович Якоби – немецкий и русский физик, изобретатель, открывший гальванопластику в 1838 году, положив начало целому направлению прикладной химии. Одними из первых гальванопластических работ, выполненных в производственных условиях, были декоративные украшения Исаакиевского собора. Гальванические процессы основаны на электрохимических реакциях, сущность метода заключается в погружении покрываемых изделий в раствор электролита, главным компонентом которого является соль покрываемого металла (меди, никеля, серебра, золота, олова и т.д.). В раствор электролита погружают аноды, они могут быть инертными (графитовыми, например) или растворимыми (растворимые аноды изготавливают из покрываемого металла) и катод – это покрываемая металлом заготовка. При пропускании через раствор электролита электрического тока происходит реакция: катионы металла из раствора восстанавливаются и оседают на катоде.
Современная технология нанесения гальванических покрытий состоит из следующих основных технологических операций: подготовка поверхности и нанесение покрытий, нанесение гальванических покрытий, заключительное полирование. Используемые электролиты подразделяются на кислые, щелочные, цианистые и другие.
Гальванически осажденная медь характеризуется кристаллической структурой и пористостью, твердость покрытия, полученного из сернокислого электролита – 80-100 кгс/см2, пластичный и легко полирующийся металл, обладает тепло- и электропроводностью. Для осаждения меди разработано большое количество электролитов, наиболее часто используемые – кислые электролиты, к ним относятся сернокислые, фторборатные, кремнефторидные и сульфаминовые. 3
К недостаткам метода гальванопластики относят: ограничения в перечне используемых металлов и сплавов; относительно невысокая скорость осаждения; неравномерность распределения электролитических осадков по рельефной поверхности распределения, что влечет за собой увеличение количества стадий обработки изделий; расходы, связанные с электроэнергией.
2. Практическая часть
Технологический процесс будет зависеть от условий протекания и состава электролита. На основании изученной теоретической информации, проведя ряд испытаний, мы предприняли попытку создания методических рекомендаций по проведению меднения неметаллических поверхностей. Для примера, расчеты ведем для меднения небольшого листа (рис. 2 Приложения). Нам понадобятся: автомобильное зарядное устройство для аккумуляторов; токопроводящий лак на графитовой основе (200 мл); медный купорос (200 г); дистиллированная вода; электролит кислотный (ρ= 1,28 г/см3) 1л; спирт этиловый; желатин; поваренная соль; унитиол; медная проволока (0,5 мм и 1 мм); медный провод и зажимы для проводов 2 шт., пластиковый контейнер (0,75 л); медные пластины; лабораторная посуда (воронка, коническая колба, мерный стакан (1 л), мерные цилиндры); резиновые перчатки, защитная одежда, респиратор.
2.1 Требования к технике безопасности
Приготовление электролита ведут с использованием резиновых перчаток и защитной одежды (капли раствора кислоты, попадая на одежду, повреждают ее). Приготовленный раствор электролита имеет специфический, нерезкий запах, вдыхание паров которого является нежелательным для здоровья человека, при отравлении могут появится головная боль, першение и сухость в носу и горле. Графитный лак также имеет специфический резкий запах. Поэтому процесс гальванопластики рекомендовано проводить в хорошо вентилируемом, нежилом помещении с использованием средств безопасности и защиты органов дыхания (респиратора).
2.2 Требования к раствору электролита
Из кислых электролитов наиболее распространен сульфатный электролит, основными компонентами которого является сульфат меди и серная кислота, которую добавляют для повышения электропроводности и получения мелкокристаллических осадков меди. Предполагается, что на катоде разряд двухвалентных ионов меди протекает в две стадии:
1) Cu2+ + e → Cu+ замедленная стадия; 2) Cu+ + e → Cu. Выход меди по току около 100 %, так как выделения водорода на катоде не происходит. При недостаточной кислотности раствора сульфат одновалентной меди будет гидролизоваться, в результате в электролите будут присутствовать взвешенные частицы металлической меди и оксида меди, которые, включаясь в катодный осадок, делают его темным, шероховатым, а иногда - рыхлым. Присутствие серной кислоты способствует протеканию реакций окисления одновалентной меди: Cu2SO4 + H2SO4 + 1/2О2 → 2CuSO4 + Н2О,
Cu2O + 2H2SO4 + 1/2O2 → 2CuSO4 + 2H2O
Повышенная кислотность электролита ведет к уменьшению концентрации ионов меди, что в свою очередь снижает верхний предел допустимой плотности тока. Для увеличения концентрации ионов меди в катодном слое применяют перемешивание, тогда кислотность электролитов можно увеличивать.
Приготовление раствора электролита. Растворимость сульфата меди зависит от температуры: при 25°С - 23,05 г CuSO4 на 100 г воды; при 100°С - 73,6 г. Приготовленный раствор не должен превышать установленную концентрацию, т.е. быть ненасыщенным, в противном случае на анодах и изделии возможно оседание кристаллического сульфата меди из охлаждающегося раствора. Максимальная масса навески медного купороса на 1 л раствора - 200 г, сначала добавляем 500 мл дистиллированной воды, предварительно разогретой до 80°С, тщательно перемешиваем, затем добавляем необходимое количество кислоты, после раствор доводим до метки 1л и фильтруем.
Содержание кислоты в электролите (m) варьируется от 50 до 70 г/л. Можно использовать электролит для аккумуляторов, с установленной плотностью кислоты (ρ= 1,28 г/см3 при t=20°С), по плотности определяем содержание кислоты (m исх.) в г/л (см. Таблицу 1 Приложения), по формуле рассчитываем необходимый объем (V) в мл:
=
Взвешенные частицы шлама обычно являются причиной грубого шероховатого осадка. При нарушении технологического процесса медное покрытие особенно склонно к дендритообразованию, частички шлама становятся центрами кристаллизации и ток расходуется на обрастание этих частиц. Дендриты могут появляться также из-за превышения допустимой плотности тока. Поэтому раствор необходимо периодически фильтровать. Со временем вода из раствора испаряется, поэтому через каждые 2 часа восстанавливаем электролит, добавляя небольшое количество дистиллированной воды.
В сульфатные электролиты меднения иногда вводят поверхностно-активные вещества, для увеличения адгезии медного слоя используем этиловый спирт (10 мл), при этом само покрытие получится матовым, если количество спирта увеличить, медь становится хрупкой. Для получения второго блестящего слоя готовим электролит без содержания спирта с добавлением блескообразователей, для этих целей используем желатин (до 0,2 г/л), хлорид натрия (0,05 г/л), унитиол (можно приобрести в аптеке) – 1 капля.
Подготовка поверхности. Для подготовки поверхности изделий необходимо обезжиривание и нанесение токопроводящего слоя. Для обезжиривания используются ацетон или спирт, удобно применять готовые спиртовые салфетки. В качестве токопроводящего слоя наносим готовый графитовый спрей-лак тонким слоем (2-3 обрызгивания) на расстоянии 20-25 см от поверхности, придерживая край изделия, время высыхания 15-30 минут (рис. 4 Приложения), следим за тем, чтоб вся поверхность была покрыта слоем графита и не оставалось неокрашенных частей, в противном случае напыления меди на них не будет. Если необходимо оставить определенные участки пустыми, без напыления, после высыхания лака закрываем их пластилином, который будет служить изолятором.
2.3 Требования к технологическому процессу гальванизации
Процесс гальванизации достаточно длительный. Зависит от нескольких факторов. Необходимо правильно подобрать размер анодов. Для этого лучше всего подходят медные пластины или медная шина, которые необходимо расположить по обе стороны или вокруг изделия. Площадь анода должна превышать площадь поверхности изделия. В качестве анодов также можно использовать медную проволоку, толщиной от 1 мм, сложив ее в плоскости, удовлетворяющие по величине площади изделия. После каждого использования аноды необходимо промывать и сушить, поэтому лучше отдать предпочтение пластинам, а не проволоке, они удобнее в эксплуатации. Анодные пластины необходимо соединить, для этого понадобится провод и зажимы «крокодилы». Рабочей площадью пластины считается та ее часть, которая погружена в раствор. От площади поверхности изделия также зависит сила тока. Плотность тока для гальванизации составляет 1-2 А/дм2. Для расчета рабочей силы тока, необходимо приблизительно рассчитать площадь поверхности изделия. Можно использовать «метод клеточек», он подходит для плоских предметов. На лист бумаги в клетку помещаем предмет и обводим его. Внутри силуэта изделия считаем целые клетки (N1) и нецелые клетки (N2) (рис. 5 Приложения). Площадь (S) в дм2 рассчитываем по формуле:
= = 0,32 дм2
Предельно допустимое значение силы тока для данного изделия – 0,64 А. Если сила тока будет превышать рассчитанное значение, металл будет восстанавливаться на катоде хлопьями, покрытие будет рыхлым и плохо сцепляемым с поверхностью. Малая сила тока значительно увеличивает время гальванизации, процесс займет несколько часов, при этом прибор нельзя оставлять без присмотра. Рабочая температура электролита 20-25°С. В качестве источника питания удобно использовать выпрямители тока для зарядки автомобильных аккумуляторов, например, ВЫМПЕЛ-20. К пластинам (аноду) подключаем «+», к изделию (катоду) подключаем «-», обращаем внимание на то, что анодные пластины и изделие-катод в растворе не должны соприкасаться между собой (рис. 6 Приложения). Для подключения используем тонкую медную проволоку, если заготовка имеет малую плотность, утяжеляем ее, обматывая несколько слоев более толстой медной проволоки чуть выше места соединения. Важно, в начале опыта для появления очага нарастания меди, часть проволоки, к которой крепится заготовка, должна быть погружена в электролит, графитовый лак имеет меньшую электропроводность, поэтому сначала медь начнет оседать на соединительном контакте (рис. 8 Приложения), а затем на графитовом лаке, после этого изделие необходимо поместить выше так, чтоб соединительная часть оказалась выше уровня электролита. В противном случае медь будет оседать в месте соединения.
В процессе гальванизации строго следим за величиной силы тока, а если источник тока имеет еще и встроенную шкалу вольтметра, то и за напряжением. Целесообразно в начале эксперимента выставить напряжение 1 В, при этом силу тока выдерживать в 2,5-3 раза меньше максимально рассчитанной. Если напряжение на источнике тока не регулируется, в цепь последовательно подключаем лампочку на 12 В, это снизит значение напряжения в цепи и уменьшит силу тока. Как только на изделии начнет появляться слой меди, сила тока начнет расти, в этом случае необходимо следить за тем, чтоб она не превышала максимально рассчитанную. По окончании процесса готовое изделие промывают в обычной воде и высушивают на воздухе. Гальванопластик процесс длительный. По второму закону Фарадея можно рассчитать приблизительно затраченное время (t) в часах, исходя из желаемой массы меди (m) в граммах:
= 2,5 часа
где F – постоянная Фарадея (Кл/моль), n – число принятых электронов на катоде; I – сила тока (А); M – молярная масса меди (г/моль), 3600 – перевод секунд в часы.
2.4 Оценка затрат на гальванопластику в условиях ремесленного труда
Стоимость набора на сайте Goldsteg (Санкт-Петербург) – 8000 рублей, в него входят: гальваническая емкость (230*350 мм, 2 шт), реагенты (электролит, реагент «затягивающего» слоя), графитовый и каучуковый спрей, медный анод (80*180*2 мм, 1 шт). в набор не входит дистиллированная вода, медная проволока, зажимы и провода, источник питания с регулируемым напряжением и силой тока.4
При проведении гальванопластики в условиях «гаражной лаборатории» нами были приобретены на OZON (рис.1 Приложение): автомобильное зарядное устройство для аккумуляторов «Вымпел-20» (1999р.), токопроводящий лак на графитовой основе Graphite Solins, 200 мл (510р.), медный купорос 2 упаковки по 200 г (319р.), электролит кислотный Oilright, 1л (144р.), зажимы для проводов 2 шт. (60р.), пластиковый контейнер (60р.), вода дистиллированная 1,5л (80р.). Итого – 3172 рубля, без учета спирта.
Заключение
Процесс гальванопластики достаточно длительный, имеет ряд особенностей, которые необходимо учитывать, при проведении электрохимических реакций. Для создания гальванической установки необходимо приобретение приборов и реактивов, которые доступны сейчас в интернет-магазинах, аптеках, магазинах радиоэлектроники или отделах хозяйственных товаров, при этом затраты на покупку необходимого оборудования будут меньше, чем затраты на покупку готового оборудования. Если вы обладатель автомобиля и гаража, то некоторые из необходимых приборов, такие как выпрямитель тока и аккумуляторный электролит, у Вас уже имеются.
Гальванопластика окажется полезной тем, кто занимается творчеством: изготовление украшений ручной работы (броши, серьги, заколки) из природных материалов, с точным металлическим повторением формы и рельефа изделия. Для воссоздания утраченного объекта: копию его можно выполнить, например, из пластилина, а поверхность покрыть слоем металла.
Технологический процесс рекомендуется проводить в нежилом, хорошо вентилируемом помещении, с соблюдением всех требований техники безопасности. При проведении процесса необходимо строго соблюдать технику безопасности, вещества, входящие в состав электролита, относятся ко 2 классу опасности, поэтому обязательно используем средства безопасности для защиты дыхательных путей, рук и одежды. При приготовлении раствора для гальванизации следуем инструкции и соблюдаем количественное соотношение веществ. Во время проведения работы следим за показаниями источника питания, оставлять прибор без присмотра на долгое время категорически запрещено.
В качестве изделий для омеднения можно использовать любые материалы, размер которых будет зависеть от размеров электродов и гальванической емкости. Перед гальванизацией на покрытие наносится гафитовый лак. Некоторые хрупкие изделия, такие как перышки, например, не выдерживают давления и теряют свою первоначальную форму. Если на деталях есть металлические вставки, их лучше предварительно снять, иначе весь процесс меднения будет происходить на них. Омеднение проводится в 2 этапа, с нанесением сначала матового, а затем глянцевого слоя, с последующей полировкой. Промытые и высушенные детали готовы к использованию.
Гальванопластика – интереснейшее занятие, в перспективе изучение электрохимического покрытия серебром медных деталей, особенностей и возможностей процесса в условиях ремесленного труда.
Список литературы:
Вансовская К.М. Гальванические покрытия. – Л.: Машиностроение, 1984.
Елисеев А.А., Якоби Б.С. Люди и наука. Москва «Просвещение» 1978.
Кудрявцева Н.Л. Практикум по прикладной электрохимии. –Л., 1980
Одноралов Н.В. Гальванопластика дома. //Сделай сам//, № 2, 1990.
Ольгин О.М. Опыты без взрывов. 1986.
Производственная компания Goldsteg (Санкт-Петербург), http://www.goldsteg.ru/complects/galvanoplastika/
Приложение
Таблица 1
«Плотность серной кислоты
и содержание ее в растворе при 20°С»
Рис. 1 Схема сборки гальванической пары
Рис. 2 Приборы и оборудование, химическая посуда
Рис.3 Пробы для исследования Рис. 4 Графитовое покрытие Рис. 5 Определение площади
рис.6 Гальваническая ванна с электролитом
Рис.7 Процесс гальванопластики на поверхности листа
Рис.8 Матовое покрытие листа. Нарастание меди на соединительной проволоке
1Вансовская К.М. Гальванические покрытия. – Л.: Машиностроение, 1984.
2 О. Ольгин Опыты без взрывов. Гальваностегия. //Алхимик// http://www.alhimik.ru/read/olg0.html
3Кудрявцева Н.Л. Практикум по прикладной электрохимии. –Л., 1980
4Производственная компания Goldsteg (Санкт-Петербург), [сайт] http://www.goldsteg.ru/complects/galvanoplastika/