[發明專利]一種表面濕潤性可變的微觀孔隙模型及其制作和使用方法

有效

• 申請號: 202011007033.0
• 申請日: 2020-09-23
• 公開（公告）號: CN112161907B
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發明（設計）人: 胡冉;魏鸛舉;廖震;周晨星;陳旭升;郭威;武東生;王一凡;陳益峰
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 朱宏偉

本發明公開了一種表面濕潤性可變的微觀孔隙模型及其制作和使用方法，屬于巖體及土壤多相滲流技術領域。該微觀模型包括上層蓋板、上層墊層、微觀模型上部圖案層、微觀模型下部水平層和底層蓋板。制作方法包括如下步驟：光刻膠模具和PDMS(聚二甲基硅氧烷)模具制作、微觀模型制作、微觀模型表面濕潤性修飾和模型固定。該方法制作工藝簡單、造價低廉且整體裝配靈活；微觀模型表面濕潤性可改變范圍較廣，能夠適用絕大多數實驗條件；利用本發明提出的微觀模型進行研究，可以涵蓋滲吸與驅排，有助于探究多相滲流的物理機制。

技術領域

本發明涉及巖體內部及土壤孔隙中的多相滲流技術領域，更具體地說，涉及一種表面濕潤性可變的微觀孔隙模型及其制作和使用方法。

背景技術

地下巖體內部及土壤孔隙中的多相滲流過程涉及許多重要的自然和工業過程，如水電站壩體滲漏問題、城市地下水系統污染修復、核廢料地質封存等。巖體表面的物理性質差異能夠顯著影響多相滲流過程，了解其影響規律對理解多相滲流的物理機制有著重要意義。目前的一些研究手段包括：用硅烷偶聯劑對玻璃微觀模型的表面進行改性操作、對微觀模型表面涂抹涂層材料來改變濕潤性、更換不同入侵流體來適配不同的濕潤性條件等方法，這些方法存在一些如操作復雜、造價昂貴、工藝繁瑣或應用范圍較窄等缺陷。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于，提供一種表面濕潤性可變的微觀孔隙模型及其制作和使用方法，其制作工藝簡單、操作簡便、造價低廉，適用于在實驗室條件下研究介質濕潤性對多相滲流過程的影響。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：構造一種表面濕潤性可變的微觀孔隙模型，包括由上而下依次疊放的上層蓋板、上層墊層、微觀模型上部圖案層、微觀模型下部水平層和底層蓋板，所述上層蓋板和底層蓋板均由透明材料制成，所述上層墊層的材質為聚二甲基硅氧烷，微觀模型上部圖案層和下部水平層材質均為NOA系列光學膠，微觀模型上部圖案層上設有微觀模型主體圖、水相注入、緩沖和油相注入，所述上層蓋板設有與三個分別與所述水相注入、緩沖和油相注入對應的注射孔。

上述方案中，所述上層蓋板和底層蓋板均由透明有機玻璃制成。

上述方案中，所述微觀模型主體圖為10mm×5mm的矩形，微觀模型主體圖的厚度為30μm至50μm。

上述方案中，所述微觀模型主體圖為2D孔隙模型。

上述方案中，所述上層蓋板和底層蓋板通過螺釘連接。

本發明還提供了一種上述表面濕潤性可變的微觀孔隙模型的制作方法，包括以下步驟：

(一)模具制作：加工掩膜板，再通過紫外光刻方法制作光刻膠模具，然后將聚二甲基硅氧烷液倒入光刻膠模具中，固化后得到PDMS模具；

(二)微觀模型制作：在PDMS模具中滴入NOA81紫外固化膠，經365nm紫外光照射固化后，即得到微觀模型上部圖案層；再在載玻片上涂抹NOA81紫外固化膠，同樣經365nm紫外光照射固化后，即得到微觀模型下部水平層；

(三)微觀模型表面濕潤性修飾：將微觀模型上部圖案層和下部水平層通過185nm和254nm雙波長高強度紫外光進行照射，根據實際實驗條件選擇合適的照射時間進行處理，接觸角范圍能夠覆蓋5°至120°的整個區間；

(四)微觀模型固定：將微觀模型上部圖案層放置于下部水平層上方，微觀模型上部圖案層上方放置上層墊層，再將上層蓋板的三個注射孔對準水相注入、緩沖和油相注入，底部蓋板置于最下方，將上層蓋板和底部蓋板用螺釘固定，即得到制作好的微觀模型。

上述方法中，所述步驟(一)中的紫外光刻技術，其曝光時間為16s，顯影時間為5分鐘。

上述方法中，所述步驟(三)中的紫外光照射時間，對于水-油兩相的驅排實驗，照射時間應控制在100s以內，使硅油-水-基底三相接觸角大于90°；對于滲吸實驗，照射時間應大于100s，使接觸角范圍控制在90°以內。