Металлические кружева

Из школьного курса химии вы хорошо знакомы с электролизом водных растворов с растворимыми и нерастворимыми электродами. С электролизом связаны многие процессы в промышленности, технике, искусстве и быту. Используя знания по химии, попробуем в домашних условиям изготовить металлические копии кружев, насекомых и растений. Получение точных металлических копий с различных предметов называется гальванопластикой. Вспомним, как протекает электролиз водного раствора сульфата меди с применением электродов из меди.

Медный анод (+) растворяется, ионы Cu²⁺ перемещаются к катоду (-), там разряжаются, и выделяется свободный металл. Количество соли сульфата меди в растворе остается неизменным: сколько меди растворяется на аноде (+), столько же ее выделяется на катоде (-).

Схематически процесс выглядит так: 

(Cu) Катод (-)	CuSO4	(+) Анод (Cu)
← Cu2+	+ H2O	SO42- →
Cu2+ + 2e- = Cu0		Cu0 - 2e- = Cu2+

Вначале предмет, с которого хотят получить копию, покрывается воском - получается матрица, все углубления в предмете на матрице будут выпуклостями. Поверхность восковой матрицы делают проводящей электрический ток, покрыв ее тонким слоем графита. Графитовый катод опускают в ванну с раствором сульфата меди, а анодом служит медь. Как и полагается, медный анод при электролизе будет растворяться, а на катоде разряжаются ионы меди, и осаждается медь. Таким образом, получается точная медная копия с взятого предмета. Смонтировав гальванопластическую установку, каждый сумеет не только снимать копии с художественных металлических, гипсовых, пластмассовых и других изделий, но и, вылепив в пластилине или глине модель, сможет свою работу перевести в металл техникой гальванопластики.

ГАЛЬВАНИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА И РЕЖИМ РАБОТЫ

Гальванопластические работы проводят в сосудах-ваннах, имеющих обычно прямоугольную форму. Но годятся сосуды и другой формы. Емкость сосудов-ванн определяется объемом тех предметов, которые репродуцируют. Для снятия копии с медалей подойдут стеклянные цилиндрические банки емкостью 4-5 л, а при репродуцировании небольших барельефных работ — 10-20 л.

В качестве ванн используют не только стеклянные сосуды, но и керамические (глазурованные), пластмассовые, в частности, коробки от аккумуляторов или же сварные емкости из листового винипласта, а также деревянные ящики, покрытые битумом. Для осуществления электролиза понадобится источник постоянного тока низкого напряжения (3-6 В), для чего подойдут достаточно мощные селеновые или другие выпрямители. Наиболее доступны домашнему гальванику выпрямители для зарядки автомобильных аккумуляторов (они дают ток до 7 А при напряжении 6 В) или сухие элементы (для небольших работ).

Регулирование силы тока, плотность которого при работе составляет 1-2 А на 1 дм2, обычно производится с помощью ползунковых или водяных реостатов. Для измерения силы тока устанавливают амперметр постоянного тока, а для наблюдения за напряжением— вольтметр (смотри схему гальванопластической установки, приведенную на рис. 1).

Форму (катод) и медный электрод (анод) укрепляют в ванне на подвесках, медный электрод — на медном или латунном проволочном крючке так, чтобы отверстие в электроде и крючок не касались электролита во избежание разъедания крючка. Форма подвешивается на медной или латунной проволоке на расстоянии 15-20 см от электрода.

Анодом для медной гальванопластической ванны служит медная пластина толщиной от 3-4 мм и больше.

Рис. 1 Схема гальванопластической установки:

1 — ванна; 

2 — анод;

3 — катоды-формы для наращивания меди;

4 — источник постоянного тока;

5 — вольтметр;

6 — амперметр;

7 — реостат

Форму из воска или гипса предварительно делают электропроводной, покрывая слоем материала, проводящего электрический ток, этот слой и присоединяют к отрицательному полюсу.

СОСТАВ ЭЛЕКТРОЛИТА И ЕГО ПРИГОТОВЛЕНИЕ

Медный электролит для гальванопластических работ приготовляют на основе медного купороса с добавкой серной кислоты, повышающей электропроводность электролита. Для медного электролита понадобится сульфат меди (медный купорос) — на 1 л воды 150-180 г. Растворение сульфата меди лучше всего вести в горячей или теплой воде. После полного охлаждения раствора и доведения его до комнатной температуры электролит фильтруют через ткань и затем в него осторожно вливают серную кислоту. Серную кислоту следует вливать медленно, тонкой струей во избежание быстрого разогревания электролита и его разбрызгивания, иначе можно получить тяжелые ожоги.

В медных сульфатных ваннах содержание серной кислоты поддерживают в пределах 35-40 г/л (плотность кислоты 1,84 г/см3). Растворимость сульфата меди значительно снижается с увеличением количества кислоты. При повышенном содержании сульфата меди он выкристаллизовывается на стенках ванны и, что хуже, на аноде, затрудняя процесс электролиза. Избыток серной кислоты в ванне вызывает хрупкие и недоброкачественные отложения меди из-за водорода, интенсивно выделяющегося на катоде, особенно при работе с повышенными плотностями тока. При недостаточной концентрации серной кислоты в электролите образуется рыхлый и пористый осадок меди, непригодный для практических целей.

Для повышения качества меди иногда применяют добавки, например спирт в количестве 8-10 г/л. Наличие спирта значительно улучшает качество меди, делая ее мелкокристаллической и более плотной. Добавку спирта вводят не более нормы, так как его избыток делает медь хрупкой. В обычных гальванопластических электролитах поддерживают температуру на уровне 18-20 °С. Она может повышаться до 25-28 °С из-за выделения теплоты при прохождении электрического тока через электролит.

Фильтрование электролита должно осуществляться возможно чаще, чтобы удалять из ванн осадок — шлам, накапливающийся в виде порошкообразной меди, графита и пыли. Чем выше плотность тока и чем интенсивнее растворяются аноды, тем больше шлама собирается в ванне (особенно это наблюдается при использовании низкосортной анодной меди). Как правило, шлам оседает на дно ванны, но более легкие его частицы, находясь во взвешенном состоянии, благодаря конвекции перемещаются к катоду, что вызывает засорение гальванопластической меди.

Шлам, соприкасаясь с отлагающейся на катоде медью, включается в металл, приводя к образованию шероховатостей и шишек, которые мешают дальнейшему равномерному отложению металла. Кроме того, графит, применяемый как электропроводящий слой для форм, также загрязняет электролит, вкрапливается в металл и способствует получению шероховатостей поверхности. Поэтому фильтрование электролита имеет важное значение для создания доброкачественных отложений меди. Обычно фильтрование производится сифонным переливанием электролита через фильтр из сукна, стеклянного или асбестового волокна.

НАНЕСЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕГО СЛОЯ НА ФОРМЫ

Графитирование

Подготовка графита. Существует несколько сортов графита; наиболее качественным для создания электропроводящего слоя на формах считается чешуйчатый графит, но можно пользоваться любым сортом этого материала. Графит, применяемый для натирания форм, должен отличаться чистотой, не иметь посторонних примесей, не быть крупночешуйчатым или матовым (матовый графит — землистый, или сажевый,— иногда употребляется в качестве наполнителя для восковых форм).

Предварительно графит обрабатывают. Обычный мелкий чешуйчатый графит растирают в фарфоровой ступке. Из размолотого графита удаляют содержащиеся в нем обычно оксиды железа, для чего его замешивают с водой до сметанообразной массы и добавляют хлорводородную кислоту (соляную) — через сутки графит осаждается на дно сосуда. Воду сливают, графит многократно промывают водой до полного удаления кислоты, затем сушат, растирают шпателем и просеивают через тонкое металлическое или шелковое сито с числом отверстий не менее 400 на 1 см². Наиболее мелкий графит необходим для небольших и очень точных копий; для копий большого размера более пригоден крупный графит, так как он обладает повышенной электропроводностью.

Следует отметить, что у графита значительное удельное электрическое сопротивление. При небрежном графитировании омическое сопротивление графита может возрасти, поэтому его следует наносить плотным слоем, чтобы частицы графита плотно соприкасались друг с другом.

Нанесение графита на различные формы. Графитирование производят с большой осторожностью. При нанесении графита на формы, имеющие тонкий рельеф, нужна кисть из мягкого, но не очень длинного волоса, чтобы пользоваться торцом кисти. На кисть надевают резиновую трубку, чтобы защитить форму от возможного соприкосновения с металлической оправкой кисти.

Для графитирования обычно применяют акварельные колонковые кисти от № 8 до № 14, а также более жесткие кисти, употребляемые в живописи маслом. Кроме того, пользуются ватными тампонами, главным образом для натирания гипсовых форм. При наращивании металла на гигроскопичные материалы, например дерево, кружево, бумагу и т. п., их предварительно пропитывают парафином или воском.

Иногда приходится дополнительно подграфичивать формы, уже частично наращенные металлом. Дело в том, что в процессе гальванопластического осаждения металла на неметаллические формы, иногда часть поверхности не затягивается металлом. Это происходит по ряду причин: недостаточно плотное нанесение графита; неполное смачивание электролитом всей формы; смывание графита электролитом при загрузке форм; выделение пузырьков воздуха на форме и пр. Обычно не покрываются металлом небольшие участки. Если, не устранив неполноту затяжки форм, вести дальнейшее наращивание, образуются значительные поры в толще металла. Чтобы не допустить этого, формы заранее вынимают из электролита, промывают в проточной водяной ванне или в слабой струе воды и сушат незатянувшиеся места формы струей теплого воздуха или фильтровальной бумагой. Затем эти места подграфичивают мягкой кистью, лучше торцовой, которая дает возможность производить графитирование не только поверхности формы, но и стеной небольших отверстий.

Ватные и марлевые тампоны для подграфичивания совершенно не годятся, так как волокна ваты или марли налипают на форму, что делает металл при дальнейшем наращивании шероховатым. Формы, покрытые графитовым электропроводящим слоем, тщательно обдувают для удаления лишнего, не связанного с формой графита. Особенно тщательно следует обдувать формы со сложным глубоким рельефом.

ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЕ НАРАЩИВАНИЕ

Зарядка форм

Подготовленные для электролитического наращивания формы, как уже говорилось, должны быть заряжены, то есть снабжены проводниками, имеющими контакт с электропроводящим слоем и подвеской для крепления на катодных штангах. Если плотность материалов, из которых изготовлены формы, меньше плотности электролита, то формы должны быть снабжены грузами, удерживающими их под верхним уровнем электролита. Проводники делают из очень мягкой, хорошо отожженной и протравленной медной или латунной проволоки диаметром примерно 0,15-0,2 мм или 0,3-0,5 мм. Более тонкие проволоки пригодны для небольших и средних форм, более толстые — для крупных (применение проводников большего диаметра позволяет повышать плотность тока). 

В формах, снятых с рельефов или объемной скульптуры, предусматривается несколько отверстий для контактирующих подвесок или проводников, а также отверстия для подвешивания грузов. В восковых формах эти отверстия обычно прокалывают в тот момент, когда воск еще достаточно мягок, в гипсовых же формах сверлят их вручную до пропитывания форм восковой композицией.

Отверстия располагают в нерабочих краях формы: диаметр их таков, чтобы в них удалось бы ввести контактирующие провода или подвески, площадь сечения которых обеспечивает отсутствие нагрева при максимальной рабочей плотности тока. У плоских форм отверстия для грузов располагают на противоположной стороне от отверстий для подвесок. Число таких отверстий подбирают, чтобы уравновесить формы в ванне.

На рис. 5 изображена гипсовая форма барельефа, у которой верхнее отверстие предназначено для подвески, а нижнее — для груза.

Контактирующие проводники прокладываются на расстоянии 5-10 мм от границ готового изделия, что дает возможность легко отделять металлический облой при обработке готового барельефа. Располагать проводники подальше от границ формы важно потому, что они покрываются наиболее толстым слоем металла, затрудняющим удаление облоя. У объемных и кусковых форм проводники укрепляют главным образом на торце. Проводники начинают прокладывать от подвесочного отверстия формы — их вводят в отверстие с лицевой стороны формы и крепят пластилином или церезином в начале, а затем в конце каждого участка (см. рис. 5).

Рис. 2. Пример зарядки формы

Для обеспечения лучшего контакта с электропроводящим слоем необходимо, чтобы проводник плотно прилегал к форме. С этой целью он дополнительно поджимается острием ножа к плоскости. По окончании прокладки проводника его второй конец снова вводят в подвесочное отверстие формы, а затем там же крепят подвеску — изолированный проводник, конец которого очищен от изоляции на длине, достаточной для контакта с концами проводника, проложенного на форме. Затем подвесочный провод загибают в виде крючка.

В качестве подвесок для плоских форм лучше употреблять одножильный медный провод с хлорвиниловой изоляцией, для объемных форм — мягкий многожильный провод с резиновой или иной надежной изоляцией, защищающей провод от электролита.

В качестве грузов подходят куски фарфора, стекла, глазурованной и непористой керамики.

Чтобы грузы не обрастали металлом (что возможно при попадании на них графитовой пыли), нужно всегда покрывать их лаком или воском, следя за тем, чтобы на грузах не было электропроводящих материалов. Поэтому грузы подвешивают на формы после нанесения электропроводящего слоя.

Загрузка форм в ванну

Формы загружают под некоторым углом к поверхности электролита, чтобы облегчить удаление воздуха из поднутрений и узких мест формы. Помещенная в электролит плоская форма затем располагается горизонтально для удаления с нее мягкой кистью оставшихся пузырьков воздуха. Чтобы уменьшить захват пузырьков воздуха, формы перед загрузкой лучше залить спиртом.

Пузырьки воздуха не всегда легко заметить под слоем электролита, поэтому необходимо внимательно осматривать форму перед завешиванием в ванну. Пузырьки имеют вид отдельных прозрачных стеклышек или бисеринок, они трудно удаляются даже при резком стряхивании, и только кистью их сравнительно легко убрать. Формы завешивают всегда в таком положении, чтобы из поднутрений имелся выход для воздуха кверху. Закрытые объемные формы заполняют электролитом постепенно, равномерно вытесняя из них воздух. Глубоко профилированные места держат в таком положении, при котором электролит медленно вливается в них, вытесняя воздух.

Первоначальная плотность тока должна быть минимальной, чтобы не вызвать подгорания проводников, связанных с электропроводящим слоем. Минимальную плотность тока следует поддерживать до полной затяжки форм металлом, а затем переходить на рабочую плотность.

МЕТАЛЛИЗАЦИЯ КРУЖЕВ

Кружева, являясь тонко орнаментированными художественными изделиями, в металлизированном состоянии напоминают филигрань. Кружева, металлизированные техникой гальванопластики, служат для украшения разнообразных художественных изделий или же основным элементом для изготовления всего изделия.

Тюлевые кружева, особенно тонкие по рисунку, наиболее красивы в сочетании с просвечивающим через них фоном изделия и поэтому наиболее желательны для отделки в виде декорирующих накладок. Гипюровые кружева с более крупной, чем у тюлевых, сеткой ажура пригодны для непосредственного изготовления различных художественных изделий (рис. 3, 4). 

Рис. 3.Пудреница, орнаментированная металлизированным тюлевым кружевом в виде накладки на крышку

Гальванопластическая металлизация состоит в предварительной обработке кружев, наращивании металла и последующей гальваностегической отделке кружев после монтирования на изделии. Сначала кружева растягивают на рамке и пропитывают парафином. Затем их проглаживают утюгом между листами бумаги для удаления избытка парафина. Далее наносят электропроводящий слой мелкого графита, излишек которого тщательно сдувают. Проложив проводники по краю кружева, их крепят на пластмассовой рамке (или рамке из толстого провода с хлорвиниловой изоляцией), вместе с которой загружают в электролит (рис. 5).

Рис. 4. Конфетница, стенки которой изготовлены из металлизированного кружева 

Рис. 5. Натягивание проводником кружева

Кружева, покрытые медью, обрабатывают латунной щеткой. Из металлизированных кружев вырезают требуемую заготовку и монтируют на изделии или изготовляют само изделие, придавая заготовке кружева соответствующую форму. Металлизированные кружева паяют обычным способом с применением оловянно-свинцового припоя. Гальваностегическая отделка заключается в нанесении на кружева декорирующего слоя серебра, золота или оксидирования их в соответствующий тон.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ГЕРБАРИЕВ

Для создания металлических гербариев (рис. 6) берут свежие листья и снимают с них отпечатки на восковой композиции. Для этого в формочку из плотной бумаги или в обечайку заливают подготовленную композицию и дают ей остыть почти до полного отвердевания с таким расчетом, чтобы поверхность восковой композиции была еще эластичной.

Рис. 6. Металлический гербарий

 

Рис. 7. Пример зарядки форм: правильная (слева); неправильная (справа)

Листья накладывают на поверхность воска и прижимают их стеклом. После этого снимают стекло и лист, и на восковой композиции остается четкий отпечаток листа. Таким же образом делают отпечаток с обратной стороны листа. Когда воск полностью затвердеет и станет холодным, форму с отпечатком осторожно графитируют мягкой кистью так, чтобы не повредить отпечатка. Установив проводники, на форме укрепляют груз, чтобы они не всплывали, и форму завешивают в гальванопластическую ванну (рис. 7).

ПОКРЫТИЕ МЕТАЛЛОМ РАСТЕНИЙ И ФРУКТОВ

Для покрытия металлом растений, фруктов и т. п. их предварительно высушивают, а затем обрабатывают в спирте или в растворах хлорида натрия, бария или кальция, уксусной или салициловой кислоты в течение нескольких минут. После этого на поверхность предметов, покрываемых металлом, наносят несколько тонких слоев шеллачного лака. Для металлизации растений готовят четыре раствора (применяя при этом дистиллированную воду):

• 1-й раствор — 4 г гидроксида натрия на 100 мл воды;
• 2-й раствор — 4 г нитрата серебра на 100 мл воды;
• 3-й раствор — 7 г аммиака (25 % раствор) на 100 мл воды;
• 4-й раствор — 2,5 г сахара на 85 мл воды.

Все четыре раствора сливают в один сосуд и в полученную жидкость опускают растение, которое хотят металлизировать. После того как поверхность растения покроется серебром, его вынимают из раствора, промывают водой и загружают в гальванопластическую медную ванну. Для устранения плавучести в электролите фрукты, растения и т. п. прикрепляются на парафине к стеклу или кусочку пластмассы.

Источники:

1. Новошинский И.И., Новошинская Н.С. Химия: учебник для 10 (11) класса общеобразовательных учреждений. Углубленный уровень / И.И. Новошинский Н.С., Новошинская. - М.: ООО «Русское слово - учебник», 2014. - 440 с.: ил. - (Инновационная школа)
2. Н.В. Одноралов Гальванопластика дома (журнал «Сделай сам», N 2. 1990)
3. Н.В. Одноралов Занимательная гальванотехника: Пособие для учащихся. 3-е изд. - М.: 1979. - 106 с., ил.

Материал подготовил методист по химии ГМЦ ДОгМ В.Е. Никитин.