[发明专利]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

说明书

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。

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。