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摘要：介紹樹葉電鍍的原理、制作方法、影響因素以及電鍍效果優(yōu)劣的評(píng)定等。實(shí)驗(yàn)既有趣味性,又涉及多種基本操作,有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣,增強(qiáng)學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的技能。
關(guān)鍵詞：樹葉電鍍，教學(xué)改革，工藝品
樹葉在日常生活中一般作為垃圾處理,但有些樹葉從外觀、造型上具有一定的藝術(shù)性與鑒賞價(jià)值,經(jīng)電鍍、標(biāo)本制作等處理后,顏色金黃,且不會(huì)掉色,可長久保存觀賞,常被用來制成裝飾工藝品。在樹葉、花等天然植物表面上,用電化學(xué)方法使金屬的化合物還原為金屬,形成金屬層,稱為防護(hù)-裝飾性電鍍[1-3],是一類重要的非金屬電鍍[4-6]。 傳統(tǒng)的非金屬電鍍包括除油、粗化、活化、化學(xué)鍍和電鍍等工藝,但存在許多問題。在20世紀(jì)60~80年代,人們開發(fā)了非金屬材料的直接電鍍。非金屬表面直接電鍍的關(guān)鍵是基體的選擇與處理,如選用具有一定導(dǎo)電性能的非金屬材料如導(dǎo)電性高分子聚合物等。新采集的樹葉中既含有水,又含有一定量的電解質(zhì),具有一定的導(dǎo)電性。將樹葉的表面進(jìn)行一定處理后,可用直接電鍍技術(shù)對(duì)其進(jìn)行電鍍精飾。電鍍銅的原理是：
為了得到較佳的鍍銅效果,必須對(duì)樹葉進(jìn)行一系列預(yù)處理。 首先,對(duì)樹葉進(jìn)行前處理。以濃肥皂水(主要成分為苯磺酸鈉)作為乳化劑,浸泡、洗滌去除樹葉表面附著的灰塵和油污。借助化學(xué)刻蝕與機(jī)械打磨技術(shù),溶解除去葉片上的部分葉綠素等有機(jī)基質(zhì),從而使樹葉表面形成均勻微小的凹穴(粗化處理),鍍層沉積在凹穴中,可使金屬鍍層與樹葉基體結(jié)合良好。其次,是對(duì)樹葉進(jìn)行敏化。粗化處理后的樹葉表面有無數(shù)凹穴,比表面積較大,有較強(qiáng)的吸附能力。在敏化液中浸漬時(shí),能吸附Sn2+,水解作用后在樹葉表面形成一層幾納米厚的易于氧化的Sn2(OH)3Cl凝膠薄膜,此薄膜為在下一步活化處理中吸附還原性的活化劑提供了很好的基質(zhì)。 敏化過程機(jī)理如下:由于樹葉的敏化液pH<7,故發(fā)生Sn2+水解:
最后進(jìn)行樹葉的活化。敏化處理后的樹葉表面存在一層微溶于水的凝膠狀物Sn2(OH)3Cl薄膜,置于銀氨溶液中,可吸附銀和銀氨絡(luò)離子,滴加36%甲醛溶液,發(fā)生銀鏡反應(yīng),在樹葉表面析出一層銀,形成催化晶核,分布在樹葉表面,為直接電鍍打下基礎(chǔ)。活化反應(yīng)歷程如下:
樹葉電鍍實(shí)驗(yàn)包含了電鍍的基本原理,直接電鍍基體的選擇,樣品的前處理以及在電鍍過程中需要注意的問題和條件的控制等,可為學(xué)生學(xué)習(xí)、了解電鍍的原理與工藝提供一個(gè)簡(jiǎn)單、易行、完整的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。經(jīng)安徽大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中心對(duì)幾個(gè)不同專業(yè)班級(jí)學(xué)生進(jìn)行驗(yàn)證,認(rèn)為這是一個(gè)較易實(shí)施又能很好鍛煉學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)技能、增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的基礎(chǔ)化學(xué)開放性實(shí)驗(yàn)。 1·實(shí)驗(yàn)部分 1.1原料、試劑及儀器 原料為新鮮樹葉。 試劑:硫酸銅(CuSO4·5H2O,分析純);硫酸(H2SO4,分析純);硝酸銀(AgNO3,分析純);甲醛(HCHO,分析純);氨水(NH3·H2O,分析純);氯化亞錫(SnCl2·2H2O,分析純);無水乙醇(C2H5OH,分析純);肥皂,超純水。 儀器:6伏直流可調(diào)穩(wěn)壓電源、電流表、細(xì)銅絲、少許絲綢、玻璃片、鑷子、燒杯、膠頭滴管、量筒、玻璃棒。 1.2實(shí)驗(yàn)裝置 將處理后的樹葉作為陰極、銅網(wǎng)作為陽極,在硫酸銅濃溶液中進(jìn)行電鍍銅,實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。
1.3實(shí)驗(yàn)步驟 (1)選擇一片質(zhì)地較硬、完整美觀的新采集的帶柄樹葉或脈絡(luò)清晰的花瓣等作為原料(本實(shí)驗(yàn)中以樹葉為原料)。 (2)表面凈化與粗化處理。將樹葉放入濃肥皂水中浸泡30min,用鑷子將葉片取出,用清水漂洗后鋪在玻璃片上,用絲綢輕輕貼在葉面上來回摩擦約20次,然后用鑷子把葉片放入無水乙醇中浸泡10分鐘,取出,自然晾干。 (3)敏化與活化處理。將葉片放入新配制的氯化亞錫溶液(1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))中浸泡30秒,用鑷子取出,再用蒸餾水反復(fù)漂洗3次以上。 洗凈后,置于銀氨溶液中(200mL3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的硝酸銀溶液中,逐滴滴入3%的氨水,直到產(chǎn)生的褐色沉淀恰好消失形成無色透明的清液為止),靜置1min后,加入1mL36%的甲醛溶液,水浴加熱(溫度低于40℃)2~3min后,取出用蒸餾水反復(fù)漂洗,可得到銀色的樹葉。
(4)電鍍銅。配制400mL30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的硫酸銅溶液,并滴加0.2~0.3mL1.5mol/L硫酸。取2根潔凈的細(xì)銅絲作為導(dǎo)線,用一根銅絲纏繞樹葉的葉柄根部,并固定在玻璃棒上,插入硫酸銅電解液中作為電鍍陰極;用另一根銅絲纏繞在銅網(wǎng)的頂部,將其固定在另一根玻璃棒上,作為電鍍陽極。將兩根銅絲聯(lián)接到裝有電流表和可調(diào)直流電源的電路中,將電壓調(diào)到6V,移動(dòng)銅網(wǎng)的玻璃棒,調(diào)節(jié)銅網(wǎng)和葉片間的距離,控制電流在0.5~1.0A之間,進(jìn)行電鍍操作,待葉片表面鍍上一層均勻的金屬銅(約2min),停止通電,取出葉片在清水中漂洗、吹干,便可得到一片金色的鍍銅樹葉。
(5)對(duì)制好的鍍銅樹葉,用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行拍攝記錄;再將其置于光學(xué)顯微鏡下,觀測(cè)表面鍍層情況。 2·實(shí)驗(yàn)結(jié)果與教學(xué)評(píng)定設(shè)計(jì) 2.1電鍍前后的樹葉形貌 比較電鍍前后的樹葉形貌知,在電鍍前,樹葉為葉綠色;鍍銅后的樹葉呈現(xiàn)金黃色,葉脈紋理清晰、細(xì)膩均勻,既能保持樹葉原有的形狀,又能體現(xiàn)電鍍后的高雅華貴。
2.2樹葉電鍍效果的判斷及可能出現(xiàn)的問題
樹葉表面鍍層總的質(zhì)量要求是鍍層均勻細(xì)致、結(jié)合牢固、不起皮、不起泡等。可依據(jù)光學(xué)顯微鏡下表面鍍層的觀測(cè)結(jié)果,對(duì)電鍍產(chǎn)物的整體外觀形狀、色澤、鍍層均勻性以及有無缺陷等幾方面進(jìn)行考察。將其分為5個(gè)等級(jí),并以此作為評(píng)價(jià)學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)的重要依據(jù)之一。以造型優(yōu)美,極具觀賞價(jià)值,均勻金黃色,鮮艷無雜色,無缺陷的電鍍產(chǎn)物為最佳;若電鍍后的樹葉外觀破損嚴(yán)重,存在多種雜色,顏色深淺不一,剝落較多,有大量缺陷存在,則表明實(shí)驗(yàn)過程中存在操作不當(dāng)或其他問題。 教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),學(xué)生所得的樹葉電鍍產(chǎn)物經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)以下幾方面的問題,如只在個(gè)別部位發(fā)生電鍍沉積或沉積不均勻;鍍層結(jié)晶粗,且易出現(xiàn)“燒焦”現(xiàn)象;鍍層有針孔出現(xiàn);鍍層發(fā)暗等。對(duì)于這些問題,可鼓勵(lì)學(xué)生從影響金屬成核與結(jié)晶的因素(如催化晶核、結(jié)晶速率、結(jié)晶溫度以及晶核生長時(shí)間等)去積極探索、尋求原因,力求在實(shí)踐中逐漸了解、掌握結(jié)晶學(xué)方面的知識(shí)。
2.3影響樹葉電鍍的因素及實(shí)驗(yàn)中需要注意的問題 (1)在還原銀氨溶液時(shí),若甲醛用量不足,則樹葉表面的銀鍍層會(huì)比較薄,無法提供均勻有效的催化晶核而影響銅的電鍍;適當(dāng)增加甲醛的量,有利于樹葉表面形成連續(xù)均勻的銀鍍層。 (2)適當(dāng)提高電解液的溫度(如40℃),有利于形成均勻、細(xì)致的銅鍍層。溫度過高或過低,在本實(shí)驗(yàn)中都易破壞金屬銅的結(jié)晶成核速率與生長速率的平衡,而導(dǎo)致鍍層出現(xiàn)結(jié)晶粗大、不均勻等現(xiàn)象。 (3)若粗化時(shí)間過長(長時(shí)間浸泡),可能導(dǎo)致有機(jī)基質(zhì)被破壞;若粗化時(shí)間不足,樹葉表面的有機(jī)基質(zhì)未能被乙醇溶解,具有較強(qiáng)疏水性,則會(huì)導(dǎo)致粗化后表面不能被水潤濕以致表面發(fā)黃、發(fā)脆并粗糙。 (4)敏化的后處理相當(dāng)重要,如果處理不當(dāng),則所得的鍍銅膜層粗糙不純,顏色呈黑棕色,直接影響電鍍銅表層的均勻性和光亮性。 (5)為了在電鍍中最大效率地提供銅離子,鍍液中銅片的面積與被鍍物件面積的最佳比例為2.5:1。為了保證電鍍能夠順利進(jìn)行,需要對(duì)作為電極的銅網(wǎng)進(jìn)行打磨。 (6)若電流密度過大,可能會(huì)破壞樣品表面的導(dǎo)電物質(zhì),使其與樣品的結(jié)合變得不再緊密,并使鍍層起泡。而若電流密度過小,會(huì)使鍍層的光澤性降低。
3·幾點(diǎn)建議 (1)本實(shí)驗(yàn)需提前讓學(xué)生預(yù)習(xí)準(zhǔn)備,可查閱相關(guān)植物電鍍類工藝品的選擇、制作、保存以及鑒賞等方面的資料,以便于學(xué)生自行準(zhǔn)備原料,在學(xué)習(xí)電鍍基本操作的同時(shí),增強(qiáng)學(xué)生學(xué)以致用的積極性。 (2)在實(shí)驗(yàn)過程中,由于所選擇的葉片、花瓣的大小、質(zhì)地存在差異,實(shí)驗(yàn)裝置可自行重新設(shè)計(jì),以便于在培養(yǎng)學(xué)生興趣的同時(shí),增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。 (3)鍍銅的工藝方法很多,除采用上述的電鍍方法外,還可根據(jù)實(shí)際條件,鼓勵(lì)學(xué)生采用其他方法如化學(xué)鍍銅的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),比較不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)。
