CN112161907B - 一种表面湿润性可变的微观孔隙模型及其制作和使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表面湿润性可变的微观孔隙模型及其制作和使用方法，属于岩体及土壤多相渗流技术领域。该微观模型包括上层盖板、上层垫层、微观模型上部图案层、微观模型下部水平层和底层盖板。制作方法包括如下步骤：光刻胶模具和PDMS(聚二甲基硅氧烷)模具制作、微观模型制作、微观模型表面湿润性修饰和模型固定。该方法制作工艺简单、造价低廉且整体装配灵活；微观模型表面湿润性可改变范围较广，能够适用绝大多数实验条件；利用本发明提出的微观模型进行研究，可以涵盖渗吸与驱排，有助于探究多相渗流的物理机制。
Description
技术领域
本发明涉及岩体内部及土壤孔隙中的多相渗流技术领域，更具体地说，涉及一种表面湿润性可变的微观孔隙模型及其制作和使用方法。
背景技术
地下岩体内部及土壤孔隙中的多相渗流过程涉及许多重要的自然和工业过程，如水电站坝体渗漏问题、城市地下水系统污染修复、核废料地质封存等。岩体表面的物理性质差异能够显著影响多相渗流过程，了解其影响规律对理解多相渗流的物理机制有着重要意义。目前的一些研究手段包括：用硅烷偶联剂对玻璃微观模型的表面进行改性操作、对微观模型表面涂抹涂层材料来改变湿润性、更换不同入侵流体来适配不同的湿润性条件等方法，这些方法存在一些如操作复杂、造价昂贵、工艺繁琐或应用范围较窄等缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种表面湿润性可变的微观孔隙模型及其制作和使用方法，其制作工艺简单、操作简便、造价低廉，适用于在实验室条件下研究介质湿润性对多相渗流过程的影响。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种表面湿润性可变的微观孔隙模型，包括由上而下依次叠放的上层盖板、上层垫层、微观模型上部图案层、微观模型下部水平层和底层盖板，所述上层盖板和底层盖板均由透明材料制成，所述上层垫层的材质为聚二甲基硅氧烷，微观模型上部图案层和下部水平层材质均为NOA系列光学胶，微观模型上部图案层上设有微观模型主体图、水相注入、缓冲和油相注入，所述上层盖板设有与三个分别与所述水相注入、缓冲和油相注入对应的注射孔。
上述方案中，所述上层盖板和底层盖板均由透明有机玻璃制成。
上述方案中，所述微观模型主体图为10mm×5mm的矩形，微观模型主体图的厚度为30μm至50μm。
上述方案中，所述微观模型主体图为2D孔隙模型。
上述方案中，所述上层盖板和底层盖板通过螺钉连接。
本发明还提供了一种上述表面湿润性可变的微观孔隙模型的制作方法，包括以下步骤：
(一)模具制作：加工掩膜板，再通过紫外光刻方法制作光刻胶模具，然后将聚二甲基硅氧烷液倒入光刻胶模具中，固化后得到PDMS模具；
(二)微观模型制作：在PDMS模具中滴入NOA81紫外固化胶，经365nm紫外光照射固化后，即得到微观模型上部图案层；再在载玻片上涂抹NOA81紫外固化胶，同样经365nm紫外光照射固化后，即得到微观模型下部水平层；
(三)微观模型表面湿润性修饰：将微观模型上部图案层和下部水平层通过185nm和254nm双波长高强度紫外光进行照射，根据实际实验条件选择合适的照射时间进行处理，接触角范围能够覆盖5°至120°的整个区间；
(四)微观模型固定：将微观模型上部图案层放置于下部水平层上方，微观模型上部图案层上方放置上层垫层，再将上层盖板的三个注射孔对准水相注入、缓冲和油相注入，底部盖板置于最下方，将上层盖板和底部盖板用螺钉固定，即得到制作好的微观模型。
上述方法中，所述步骤(一)中的紫外光刻技术，其曝光时间为16s，显影时间为5分钟。
上述方法中，所述步骤(三)中的紫外光照射时间，对于水-油两相的驱排实验，照射时间应控制在100s以内，使硅油-水-基底三相接触角大于90°；对于渗吸实验，照射时间应大于100s，使接触角范围控制在90°以内。
本发明还提供了一种表面湿润性可变的微观孔隙模型的使用方法，包括以下步骤：
(一)将水相注入和油相注入分别与管路连接，注射泵中分别吸入适量硅油和去离子水，先从油相注入中注入高粘度硅油，待硅油从缓冲中流出时停止注入；
(二)从水相注入中注入染色去离子水，待染色去离子水从缓冲中流出时暂停注入；
(三)用胶水封住缓冲，待胶水固化后，将微观模型放置于高速相机下，开启注射泵，从水相注入处注入染色去离子水，相机实时进行拍照，以便后期分析。
实施本发明的表面湿润性可变的微观孔隙模型，具有以下有益效果：
本发明提出的一种表面湿润性可变的微观孔隙模型，其制作方法简单、造价低廉且整体装配灵活，可以快速装配拆卸，避免了传统方法中需要对微观模型进行封装键合等繁琐操作；微观模型表面湿润性可改变范围较广，能够适用大多数实验条件；利用本发明提出的微观模型进行研究，可以涵盖渗吸与驱排实验，有助于探究多相渗流的物理机制。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明表面湿润性可变的微观孔隙模型结构示意图；
图2为本发明微观模型主体图案放大示意图；
图3为本发明微观模型组装示意图；
图中：上层盖板1，上层垫层2，微观模型上部图案层3，微观模型下部水平层4，底层盖板5，注射孔6，四周通孔7，固定螺钉8，水相注入孔9，缓冲孔10，微观模型主体图案11，油相注入孔12。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
实施例一
本发明提供的一种表面湿润性可变的微观孔隙模型，主体结构如图1所示，包括：上层盖板1，上层垫层2，微观模型上部图案层3，微观模型下部水平层4和底层盖板5。
其中，上层盖板1和底层盖板5的形状均为矩形，尺寸为85mm×60mm，厚度为4mm，材质为透明有机玻璃，四个边角凿有直径为3mm的通孔7，螺钉8穿过通孔7用于对微观模型进行整体固定；上层盖板1刻有三个直径3mm的注射孔6，三个注射孔6的位置分别与微观模型上部图案层3的水相注入孔9、缓冲孔10和油相注入孔12相对应。
上层垫层2材质为PDMS(聚二甲基硅氧烷)，尺寸为55mm×20mm，厚度为3mm，其目的有两个：一是用来固定微观模型，保证其不发生水平位移，以免影响实验观测；二是用来插入管路前端的注射钢针，因PDMS材料弹性较好，能够保证接触部分的密封性。
微观模型上部图案层3和下部水平层4材质均为NOA系列光学胶，例如NOA81紫外固化胶、NOA61等；如图2所示，微观模型主体图案11尺寸为10mm×5mm，厚度为40μm，为2D孔隙模型；微观模型上部图案层3包含三个注射孔，分别是水相注入孔9、缓冲孔10和油相注入孔12，水相注入孔9与水相注射器及其管路相连，油相注入孔12与油相注射器及其管路相连。
实施例二
本发明提供的一种表面湿润性可变的微观孔隙模型的制作方法，具体包括以下步骤：
(一)模具制作：通过MATLAB软件生成所需图案的CAD图纸，根据CAD图纸加工掩膜板；选取表面平整洁净的4英寸单晶硅片，用匀胶机在硅片表面旋涂一层厚度为40μm的SU8-2035光刻胶，转速为3300转/分钟；匀胶结束后，将涂有光刻胶的硅片放置在热台上先65℃烘烤3分钟，再95℃烘烤6分钟后取下；烘烤完毕后，利用掩膜板在光刻机下进行紫外曝光16s，曝光完毕后，将硅片放在热台上65℃烘烤1分钟，再95℃烘烤6分钟后取下；然后将硅片浸泡在SU8-2035光刻胶专用显影液中5分钟，取出用异丙醇和酒精反复冲洗，即得到光刻胶模具；将固化剂和PDMS液以体积比1：10进行均匀混合搅拌，倒入光刻胶模具中，放入高温烘箱中75℃烘烤2小时，然后取出；将固化好的PDMS从光刻胶模具上揭下，即得到PDMS模具；
(二)微观模型制作：在PDMS模具中滴入适量NOA81紫外固化胶，水平静置10分钟后放入紫外固化箱中经过365nm紫外曝光40s，然后在三个注射孔(9、10、12)处用直径0.6mm打孔器打孔，即得到微观模型上部图案层3；在洁净载玻片上均匀涂抹一层NOA81紫外固化胶，同样经365nm紫外光固化后，即得到微观模型下部水平层4；
(三)微观模型表面湿润性修饰：将微观模型上部图案层3和下部水平层4通过双波长(185nm和254nm)高强度紫外光进行照射，185nm的紫外光可以将空气中的氧分子O2转变成具有活性的O3臭氧分子，254nm的紫外光能够同时激发材料表面的有机分子，使其更容易被臭氧分子吸收并分解，从而显著提高微观模型表面的湿润性。当未经过双波长紫外光处理时，原始状态下硅油-水-基底三相接触角为110°至120°，当经过1800s至2400s处理后，接触角稳定在5°至15°。通过使用接触角测量仪测量经过不同照射时间下的硅油-水-基底三相接触角大小，可以发现接触角随照射时间的变化曲线是光滑连续的，接触角范围能够覆盖5°至120°的整个区间，因此在实验中可以根据实际所需接触角的大小来选择合适的照射时间。对于紫外光照射时间的选取，对于进行水-油两相的驱排实验，照射时间应控制在100s以内，使硅油-水-基底三相接触角大于90°；对于渗吸实验，照射时间应大于100s，使接触角范围在90°以内。
(四)微观模型固定：如图3所示，将经过表面湿润性修饰处理的微观模型上部图案层3放置于下部水平层4上方，微观模型上部图案层3上方放置上层垫层2，再将上层盖板1的注射孔6对准微观模型上部图案层3的三个注射孔(9、10、12)，底部盖板5置于最下方，四周用螺钉8固定，即得到制作好的微观模型。
实施例三
本发明提供了一种表面湿润性可变的微观孔隙模型的使用方法，具体包括以下步骤：
(一)将微观模型注入孔(9、10、12)与管路连接，缓冲孔10的管路与废液容器相连，两端注入孔(9、12)的管路与微量注射器连接，微量注射器放置于高精度注射泵上；高精度注射泵中分别吸入适量硅油和去离子水，先从油相注入孔12以较低速率(如0.01μL/min)注入高粘度硅油(粘度为1000cs)，待硅油从缓冲孔10中流出时关闭注射泵；
(二)从水相注入孔9按实验设定速率(如0.5μL/min)注入染色去离子水，待染色去离子水从缓冲孔10中流出时暂停注入，同时将油相注入孔12所连管路从微量注射器上拔掉，将其改接到特定废液容器中，整体微观模型水平静置5分钟；
(三)向缓冲孔10中滴入适量胶水将其堵住，待胶水固化后，将微观模型放置于高速相机下，水平静置5分钟，然后开启水相注入孔9所连接的注射泵，从水相注入孔9处注入染色去离子水，相机实时进行拍照，照片实时传输至计算机以便后期分析使用。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (9)
1.一种表面湿润性可变的微观孔隙模型，其特征在于，包括由上而下依次叠放的上层盖板(1)、上层垫层(2)、微观模型上部图案层(3)、微观模型下部水平层(4)和底层盖板(5)，所述上层盖板(1)和底层盖板(5)均由透明材料制成，所述上层垫层(2)的材质为聚二甲基硅氧烷，微观模型上部图案层(3)和下部水平层(4)材质均为NOA系列光学胶微观模型上部图案层(3)上设有微观模型主体图案(11)、水相注入孔(9)、缓冲孔(10)和油相注入孔(12)，所述上层盖板(1)设有与三个分别与所述水相注入孔(9)、缓冲孔(10)和油相注入孔(12)对应的注射孔(6)。
2.根据权利要求1所述的表面湿润性可变的微观孔隙模型，其特征在于，所述上层盖板(1)和底层盖板(5)均由透明有机玻璃制成。
3.根据权利要求1所述的表面湿润性可变的微观孔隙模型，其特征在于，所述微观模型主体图案(11)为10mm×5mm的矩形，微观模型主体图案(11)的厚度为30μm至50μm。
4.根据权利要求1所述的表面湿润性可变的微观孔隙模型，其特征在于，所述微观模型主体图案(11)为2D孔隙模型。
5.根据权利要求1所述的表面湿润性可变的微观孔隙模型，其特征在于，所述上层盖板(1)和底层盖板(5)通过螺钉(8)连接。
6.一种权利要求1-5任意一项表面湿润性可变的微观孔隙模型的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
(一)模具制作：加工掩膜板，再通过紫外光刻方法制作光刻胶模具，然后将聚二甲基硅氧烷液倒入光刻胶模具中，固化后得到PDMS模具；
(二)微观模型制作：在PDMS模具中滴入NOA81紫外固化胶，经365nm紫外光照射固化后，即得到微观模型上部图案层(3)；再在载玻片上涂抹NOA81紫外固化胶，同样经365nm紫外照射固化后，即得到微观模型下部水平层(4)；
(三)微观模型表面湿润性修饰：将微观模型上部图案层(3)和下部水平层(4)通过双波长高强度紫外光进行照射，根据实际实验条件选择合适的照射时间进行处理，接触角范围能够覆盖5°至120°的整个区间；
(四)微观模型固定：将微观模型上部图案层(3)放置于下部水平层上方(4)，微观模型上部图案层(3)上方放置上层垫层(2)，再将上层盖板(1)的三个注射孔(6)对准水相注入孔(9)，缓冲孔(10)和油相注入孔(12)，底部盖板(5)置于最下方，将上层盖板(1)和底部盖板(5)用螺钉(8)固定，即得到制作好的微观模型。
7.根据权利要求6所述的表面湿润性可变的微观孔隙模型的制作方法，其特征在于，所述步骤(一)中的紫外光刻技术，其曝光时间为16s，显影时间为5分钟。
8.根据权利要求6所述的表面湿润性可变的微观孔隙模型的制作方法，其特征在于，所述步骤(三)中的紫外光照射时间，对于水-油两相的驱排实验，照射时间应控制在100s以内，使硅油-水-基底三相接触角大于90°；对于渗吸实验，照射时间应大于100s，使接触角范围控制在90°以内。
9.一种权利要求1-5任意一项表面湿润性可变的微观孔隙模型的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
(一)将水相注入孔(9)和油相注入孔(12)分别与管路连接，注射泵中分别吸入适量硅油和去离子水，先从油相注入孔(12)中注入高粘度硅油，待硅油从缓冲孔(10)中流出时停止注入；
(二)从水相注入孔(9)中注入染色去离子水，待染色去离子水从缓冲孔(10)中流出时暂停注入；
(三)用胶水封住缓冲孔(10)，待胶水固化后，将微观模型放置于高速相机下，开启注射泵，从水相注入孔(9)处注入染色去离子水，相机实时进行拍照，以便后期分析。
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