Гальванопластика

Автор: Жуков Андрей Валерьевич

Организация: МБОУ Школа 15 г. Рязань

Населенный пункт: г. Рязань

Исследовательский проект на тему: «Гальванопластика»

 

Введение

Актуальность: В наши дни множество металлических предметов покрывают никелем или хромом для защиты от коррозии. Металлические (и не только) украшения создают с помощью меди или никеля. Всё вышеперечисленное создаётся при помощи раздела гальванотехники- гальванопластики.

Гипотеза: Использование технологии осаждения металла на диэлектрической поверхности возможно в домашних условиях.

Цель: Покрыть предмет медью с помощью метода гальванопластики.

Задачи:

• Изучить технологию гальванопластики;
• Изготовить медный электролит;
• Собрать гальваническую установку;
• Провести омеднение материала;

Объект исследования: Физико-химические процессы.

Предмет исследования: Гальванопластика, как способ покрытия неметаллических изделий металлом.

Гальванопластика—это раздел гальванотехники, посвященный формообразованию из цветного металла путем его осаждения из специального раствора (электролита) под воздействием электрического тока. Сущность метода заключается в погружении покрываемых изделий в водный раствор электролита, главным компонентом которого являются сернокислые соли или другие растворимые соединения металлопокрытия.

Покрываемые изделия контактируют с отрицательным полюсом источника постоянного тока, то есть являются катодами. Анодами обычно служат пластины или прутки из того металла, которыми покрывают изделия. Они контактируют с положительным полюсом источника постоянного тока и при прохождении электрического тока растворяются, компенсируя убыль ионов, разряжающихся на покрываемых изделиях. Происходящие процессы схематично изображены на рисунке (Приложение №1).

 

Глава 1. Теоретическая часть

1.1 Появление гальванопластики

Метод гальванопластики изобретён в 1838 году русским физиком Борисом Семёновичем Якоби в 1836 г. Б.С. Якоби занялся подробным изучением гальванических элементов. Выяснилось, что при прохождении электрического тока через медную пластину, погруженную в воду и помещенную между двумя электродами, отделившаяся от пластины медь равномерно оседала на электроде (токопроводящем элементе), а затем, оторвавшись от него, в точности воспроизводила все особенности его рельефа. Это открытие – настоящая находка для скульпторов, ведь способом электролитического покрытия стало возможным получить любую копию в металле: Осаждаясь, медь или другой металл воспроизводит любое изделие, находящееся в форме. Многие скульптуры в Санкт-Петербурге, а именно: на фасаде Исаакиевского собора, в Екатерининском парке, были получены именно этим методом.

Многие ювелиры, работающие с серебром, пользуются гальваническим способом нанесения металла: это не только экономит серебро, но и облегчает по весу ювелирные изделия.

Современные мастера рукоделия взяли на вооружение гальванопластику благодаря тому, что в результате получаются интересные и неповторимые изделия: бижутерия, статуэтки, фурнитура.

Применение гальванопластики дает возможность изготовить с высокой точностью полые детали сложной конфигурации без швов, пайки и сварки, что трудно сделать другими способами. Широко используется в технике при изготовлении матриц в полиграфии, пресс-форм для прессования грампластинок.

Художественная гальванопластика. В данном случае рассматривается технология изготовления скульптур из составных копий, т.е. детали-копии для скульптур получают на отдельных формах – фрагментах скульптур. Коротко описать технологию с применением гипсовых форм можно следующим образом. Первоначально изготавливают скульптуры из какого-либо материала. После чего скульптура разделяется на отдельные элементы, и намечают границы между ними, что определяет качество скульптуры. С первичной формы снимаются гипсовые копии отдельных элементов, с которых уже электрохимическим способом изготавливают металлические копии. Приготовленные гипсовые формы тщательно высушивают и пропитывают. Пропиткой может служить восковая композиция. После пропитки форму просушивают и наносят на неё электропроводный графитовый слой. При электрохимическом наращивании копии с формы в гальванической ванне меднения применяют кислые сернокислые электролиты, иногда требуется перемешивание электролита. Полученные отдельно копии монтируют одну с другой, таким образом, завершается процесс создания гальванопластической скульптуры.

1.2 Устройство гальванической установки

Гальванопластические работы проводят в ванночках. Емкость ванночек определяется объемом тех предметов, которые покрывают металлом.

В качестве ванн можно использовать стеклянные, керамические, пластмассовые сосуды.

Для осуществления электролиза понадобится источник постоянного тока низкого напряжения. Для этого я использовала лабораторный блок питания с регулируемым напряжением 1,2-12В.

В качестве источников меди я использовала медные пластины. Заготовку (катод) и электрод (анод) укрепляют в ванночке на подвесках, металлический электрод - на проводе так, чтобы место соприкосновения провода и электрода не касалось электролита. Заготовка подвешивается на проволоке или проводе, которые могут касаться электролита. Из-за этого провод или проволока должны быть медными или из того же металла, что и анод.

Анодом для гальванопластической ванны служит металлическая пластина, тип металла которой, зачатую зависит от электролита (для осаждения меди – медь). Анод подключается к положительному полюсу источника тока.

Покрываемое изделие предварительно делают электропроводным, покрывая слоем материала, проводящего электрический ток. Этот слой и присоединяют к отрицательному полюсу источника тока. Схема гальванической установки (Приложение №2)

1.3 Техника безопасности

Токсичность большинства реагентов для человека относительно невысока, но всё же при работе с медным купоросом, серной кислотой и прочими веществами стоит одеть резиновые перчатки, очки и фартук.

При осаждении металла может выделяется немного газообразного водорода, который взрывоопасен в больших количествах. Ванночка должна находиться в проветриваемом помещении или на подоконнике.

Сборку гальванопластической установки нужно проводить с выключенным источником питания. Небольшие токи – человеку не навредят, а вот приборы испортить могут.

Хранить электролит в закрытой ёмкости, чтобы вода, которая есть в его составе, не испарялась.

Необходимо иметь под рукой ёмкость с водой. При попадании электролита на руку нужно срочно промыть водой.

 

Глава 2. Практическая часть

2.1 Приготовление электролита

Электролит —это вещество, которое проводит электрический ток вследствие диссоциации на ионы, что происходит в растворах и расплавах, или движения ионов в кристаллических решётках твёрдых электролитов.

Существует очень много электролитов, так как для осаждения разных металлов необходимы разные растворы электролитов. Из всех способов гальванопластики самым простым для работы в домашних условиях является омеднение, то есть покрытие медью.

Существующие электролиты омеднения подразделяются по своему составу на щелочные и кислые.

Щелочные электролиты– это водные растворы гидроокиси калия или гидроокиси натрия с добавкой 20 г/л гидроокиси лития. Концентрированный электролит (как правило это калиево-литиевый)

Электролит кислотный представляет собой водный раствор серной кислоты, предназначенный для использования в свинцово-кислотных аккумуляторных батареях. Электролит готовится путем растворения концентрированной серной кислоты в дистиллированной воде, молекулы кислоты в данном растворе диссоциируют (распадаются) на ионы — это явление наделяет электролит электропроводящими свойствами.

В качестве растворимых анодов применяют либо пластины из чистой меди, либо сборные аноды из небольших пластинок фосфористой меди.

Преимущества этого электролита в том, что катодный и анодный выходы по току равны 100%, что способствует длительной стабильной работе электролита. Кроме того, электролит малочувствителен к примесям тяжелых металлов, ионы которых могут попадать в раствор в технологическом цикле получения гальвано копией. Электролит нетоксичен, не имеет летучих компонентов, вредных для здоровья людей.

К недостаткам электролита следует отнести склонность его к дендрит образованию ( наросты на осажденном металле), особенно при температурах ниже 15ºС, низкую рассеивающую способность и невысокие предельно допустимые значения катодной плотности тока. Два последних недостатка в большой степени компенсируются возможностью применения при осаждении меди различных приспособлений, улучшающих распределение тока первого рода: диэлектрических экранов, дополнительных катодов и анодов.

Для обеспечения возможности электролитического осаждения металла необходимо создание на поверхности моделей специальных электропроводящих слоев. Традиционно самым распространенным способом создания электропроводных слоев является графитирование поверхности модели. Нанесение токопроводящего слоя.

Существует несколько разновидностей токопроводящих слоев, каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Выбор токопроводящего слоя зависит от ряда факторов, и, прежде всего, от материала модели

Для моделей из эластомеров (каучуки, резины и др.) чаще всего используется коллоидный графит. Поверхность предварительно обрабатывают (протирают) ацетоном или спиртом, высушивают. Графит наносят мягкой кисточкой на поверхность модели, до тех пор, пока слой не будет выглядеть равномерным и однотонным. Излишки графита сдувают, после чего поверхность модели промывают водой.

Также, есть много различных токопроводящих аэрозолей, лаков и клеев. В состав этих средств могут входить углерод и металлы. Чем больше металла находится в лаке, тем быстрее будет осаждаться металл на предмет.

Для гальванистического меднения я использовала сернокислый электролитический раствор.

Состав электролита:

• CuSO₄*5H₂O — 50г
• H₂O (дистиллированная) — 250мл
• H₂SO₄ (96%) — 7мл

1. В сосуд добавляем 180 г медного купороса (CuSO₄*5H₂O);
2. Добавляем 1000 мл дистиллированной воды;
3. Хорошо перемешиваем, чтобы весь купорос растворился в воде;
4. К полученному раствору добавляем 7мл концентрированной серной кислоты (H₂SO₄);
5. Перемешиваем ещё раз;
6. Электролит готов.

2.2 Подготовка изделия к омеднению

Листья, ветки и другие части растений являются диэлектриками, поэтому необходимо создать токопроводящий слой на его поверхности. Для этого я использовала специальный токопроводящий графитовый спрей, который можно приобрести в магазине радиоэлектроники. Спрей необходимо наносить в несколько слоёв с перерывом в 10-30 минут, для того чтобы графит лёг на поверхность равномерным слоем. (Приложение №3)

2.3 Сборка гальванической установки

В качестве гальванической ванночки я использую пищевой контейнер объёмом 1500 мл. Источниками меди служат 2 медные пластинки толщиной 1мм и длиной 75мм, которые закрепляются на стаканчике при помощи двух медных проволок. Для закрепления изделия я использовала ещё одну медную проволоку и установила её по центру ёмкости, между двумя пластинами. Заливаем в нашу ёмкость электролит. После этого подключаем полученную установку к источнику питания. Минус (катод) подключаем к проволоке, которая держит наше изделие, а плюс (анод) к медной пластине, но так как мы используем две пластины, необходимо соединить их ещё одним проводом. Заливаем в нашу ёмкость электролит. Гальваническая установка готова к эксплуатации. (Приложение №4)

2.4 Осаждение меди

После полной сборки гальванической установки, я приступила к процессу осаждения меди на наше изделие. Лист должен контактировать с катодом, поэтому я закрепила его на медной проволоке, подвесила на держатель и опустила в электролит. На источнике тока я установила необходимое напряжение в 1В, сила тока устанавливается из расчёта 2A/дм², для наших изделий — это примерно 300mA. Включаю источник тока и наблюдаю. (Приложение № 5)

Гальваника — долгий процесс, для полного покрытия медью наших изделий понадобится 1-1.5 часа.

Наблюдения:

• Через 15 минут после запуска процесса можно увидеть, что наш листик сверху начинает покрываться небольшим слоем меди. Продолжаем процесс.
• Через 30 минут лист примерно на половину был покрыт медью. Продолжаем процесс.
• Через 1,5 часа изделие полностью покрылось слоем меди.

После проведения опыта с листом проделала тоже самое с металлическим кулоном и железным гвоздем. (Приложение № 6-7)

 

2.5 Вывод по эксперименту.

Гальванопластика является эффективным и широко применяемым методом нанесения металлического покрытия на поверхности различных материалов. Этот процесс основан на использовании электрохимических реакций, что позволяет создавать покрытия с высокой прочностью, коррозионной стойкостью и декоративными свойствами.

В результате изучения и анализа материалов по гальванопластике можно отметить, что данная технология имеет широкий спектр применения в различных отраслях промышленности, включая автомобильное производство, электронику, ювелирное дело и другие. Благодаря постоянному развитию и совершенствованию методов гальванопластики, ученые и инженеры постоянно находят новые способы улучшить качество и эффективность этого процесса.

В целом, гальванопластика остается одним из наиболее важных и перспективных методов обработки поверхности материалов, играя ключевую роль в современной промышленности и науке.

Заключение

Изучив теорию по теме своего исследования, изготовив специальные материалы и проведя эксперимент, я убедилась, что как покрытие медью диэлектрических материалов (и не только), так и гальванопластика в целом, при соблюдении техники безопасности, возможно в домашних условиях. Данный процессе труден и человек желающий проделать этот эксперимент, может изготовить укрощение или произведение искусства, не имея специальный труднодоступных материалов и оборудования.

Преимущество этого метода заключается и в том, что он дает возможность получать облегченное изделие с любой толщиной стенок, снижая расход металла, что особенно важно для применения гальванопластики в художественном и ювелирном искусстве, а также способен сохранять живые растения в исходном виде и спасать металлические предметы от коррозии.

В будущем я планирую изучить такие приёмы гальванотехники, как электрохимическая полировка, патинирование, никелирование и другие.

 

Список литературы

1. Художественные изделия из металлов и их сплавов | Нетудыхата Юрий Яковлевич 2020г.
2. Техническая гальванопластика | Кудрявцева Ольга Васильевна 2016г.
3. Технология художественной обработки металлов.
4. Учебник | Магницкий Олег Николаевич, Иоффе Михаил Александрович
5. https://www.alltime.ru/blog/?page=post&blog=watchblog&post_id=galvanoplastika-delaem-ukrasheniya-v-domashnikh-usloviyakh
6. https://www.baby.ru/journal/galvanoplastika/

 

Полный текст статьи см. приложение

1. file0.docx (4,9 МБ)
2. file1.pptx (3,7 МБ)

Опубликовано: 10.09.2024