Summary
L’objectif de cette procédure est facilement et rapidement produire un dispositif microfluidique avec géométrie personnalisable et résistance au gonflement de fluides organiques pour les études de récupération de pétrole. Un moule de polydiméthylsiloxane est la première génération et ensuite utilisé pour monter l’appareil à base d’époxy. On rapporte une étude de déplacement représentatif.
Abstract
Dispositifs microfluidiques sont des outils polyvalents pour étudier les processus de transport à l’échelle microscopique. Une demande existe pour dispositifs microfluidiques que composants résistent à faible poids moléculaire huile, contrairement aux appareils traditionnels polydiméthylsiloxane (PDMS). Ici, nous démontrons une méthode facile pour la fabrication d’un dispositif avec cette propriété, et nous utilisons le produit du présent protocole pour examiner les mécanismes à l’échelle du pore par lequel récupère du pétrole brut de mousse. Un modèle est tout d’abord conçu à l’aide de logiciels de conception assistée par ordinateur (CAO) et imprimé sur un transparent avec une imprimante haute résolution. Ce modèle est ensuite transféré dans une résine photosensible via une procédure de lithographie. PDMS est chassé sur le modèle, séché dans un four et supprimé pour obtenir un moule. Un polymère de réticulation de thiol-ene, couramment utilisé comme adhésif optique (OA), est ensuite coulé sur le moule et durci sous la lumière ultraviolette. Le moule PDMS est épluché loin le plâtre adhésif optique. On prépare ensuite un substrat de verre, et les deux moitiés de l’appareil sont collés ensemble. Dispositifs optiques axée sur l’adhésif sont plus robustes que des dispositifs microfluidiques PDMS traditionnels. La structure époxy résiste à un gonflement de nombreux solvants organiques, qui ouvre de nouvelles possibilités pour les expériences impliquant des liquides organiques légers. En outre, le comportement de la mouillabilité de surface de ces dispositifs est plus stable que celle de PDMS. La construction de dispositifs optiques microfluidiques adhésif est simple, mais exige progressivement plus d’efforts que la fabrication des dispositifs de PDMS. Aussi, bien que les dispositifs adhésifs optiques sont stables dans les liquides organiques, ils peuvent présenter un résistance réduite après une longue période. Dispositifs optiques microfluidiques adhésif peuvent être faits dans des géométries qui agissent comme des micromodels 2D pour les milieux poreux. Ces dispositifs sont appliquées dans l’étude du déplacement d’huile pour améliorer notre compréhension des mécanismes à l’échelle du pore en assainissement d’aquifère et de récupération assistée du pétrole.
Introduction
Le but de cette méthode consiste à visualiser et analyser les interactions fluides multiphases, multi-composants et dynamique complexe pore-échelle dans les milieux poreux. Écoulement des fluides et le transport en milieu poreux ont été d’intérêt pendant de nombreuses années parce que ces systèmes sont appliquent à plusieurs processus souterraines telles que la récupération du pétrole, assainissement de l’aquifère et1,fracturation hydraulique2, 3 , 4 , 5. Utilisez micromodels pour imiter ces pores-structures complexes, un aperçu unique est acquises en visualisant les événements dynamiques au niveau du pore entre les différentes phases fluides et les médias6,7,8 ,9,10,11.
La fabrication des traditionnelles à base de silice micromodels est coûteux, chronophages et stimulant, construisant micromodels par adhésif optique offre un relativement bon marché, rapide et facile alternatif12,13, encore 14,15. Par rapport aux autres micromodels à base de polymère, adhésif optique présente des propriétés de mouillage superficiel plus stables. Par exemple, des surfaces Micromodels polydiméthylsiloxane (PDMS) deviendra rapidement hydrophobes au cours d’une expérience de déplacement typique16. En outre, le module de Young du PDMS est 2,5 MPa tandis que celui de colle optique est 325 MPa13,17,18. Adhésif optique est donc moins sujette à la pression induite par déformation et canal d’insuffisance. Ce qui est important, durci adhésif optique est beaucoup plus résistante à un gonflement de composants organiques de faible poids moléculaire, qui permet des expériences portant sur le pétrole brut et solvants légers pour être mené18. Dans l’ensemble, optique adhésif est une alternative supérieure à PDMS pour les études de déplacement concernant le pétrole brut lorsque micromodels à base de silice sont excessivement complexes ou coûteuses et à haute température et la pression des études ne sont pas nécessaires.
Le protocole décrit dans la présente publication fournit les instructions étape par étape de fabrication pour optique micromodels adhésif et signale les astuces subtiles qui assurent le succès dans la manipulation de petites quantités de liquides. La conception et la fabrication d’optiques micromodels base adhésive avec Lithographie douce est tout d’abord décrit. Alors, la stratégie de déplacement fluide est donnée pour des débits extrêmement faible qui sont souvent inaccessibles avec régulateurs de débit massique. Ensuite, un résultat expérimental représentatif est donné à titre d’exemple. Cette expérience révèle mousse déstabilisation et propagation comportement en présence de pétrole brut et des milieux poreux hétérogènes. Enfin, l’analyse de données et de traitement des images typiques est signalée.
La méthode fournie ici est approprié pour des applications de visualisation impliquant des interactions dans des espaces confinés microchannel et écoulement multiphase. Plus précisément, cette méthode est optimisée pour des résolutions de micro-fonction caractéristiques supérieures à 5 et moins de 700 µm. typique débits sont l’ordre de 0,1 à 1 mL/h. Dans les études de pétrole brut ou de déplacement lège de solvant par des fluides aqueux ou gazeux sur l’ordre de ces paramètres optimisés dans les conditions ambiantes, ce protocole doit être adaptée.
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Protocol
ATTENTION : Ce protocole consiste à manipuler un four à haute température, les produits chimiques toxiques et la lumière UV. S’il vous plaît lire toutes les fiches signalétiques et de suivre les directives de sûreté chimique de votre institution.
1. conception de l’appareil
- Concevoir un photomasque dans une application de logiciel de CAO.
- Dessiner un canal rectangulaire qui est 3 cm de long et 0,5 cm de large (Figure 1 b-en haut à droite).
- Créer un tableau de formes fermées représentant les grains des médias poreux.
Remarque : Ces formes sont appelés messages car elles deviendront des structures tridimensionnelles au cours du processus de lithographie douce. La forme et la taille des postes devraient être de l’ordre de dizaines de microns et ayant un espacement de dix à cent microns. Plusieurs tailles de message peuvent être employées pour créer l’hétérogénéité, et une section peut être laissée nue de postes pour simuler une fracture dans les médias. - Dessiner des canaux d’entrée et de sortie qui sont environ un tiers aussi larges que la section du milieu poreux. Dessiner un canal découlant de l’orifice d’entrée d’agir comme un drain.
- Dessiner un rectangle englobant autour de l’ensemble du motif avec un minimum de 1,0 cm de dégagement de la conception.
Remarque : La zone située entre la zone englobante et les frontières de la conception, ainsi que les postes, sont à rendre transparent sur la photolithographie.
- Soumettre le fichier CAO à une entreprise pour CAD à haute résolution d’impression
Remarque : En option : design pour une expérience de déplacement de mousse, un générateur de mousse de microfluidique (Figure 1 a). Répétez l’étape 1, en omettant l’hétérogénéité de la conception et la zone de délimitation. Une géométrie d’écoulement de focalisation est recommandée à l’entrée avant la conception de milieux poreux. Les espaces de circulation doivent être transparents sur la photolithographie.
2. Fabrication de moule de PDMS
- Créer un moule maître wafer de silicium de résine photosensible à motifs dans une salle blanche
- Spin-manteau, une couche de 20 µm de photorésine sur une nouvelle plaquette de silicium à 2 000 tr/min pendant 30 s.
- Doux, faire cuire la galette sur une plaque de cuisson par incréments de deux : 65 ° C pendant 1 min suivie de 95 ° C pendant 3 min.
- Utilisez un aligneur de masque pour la couche de résine photosensible de mires avec la conception de CAO à l’aide d’un dosage constant des 150 mJ/cm2.
- Effectuer une cuisson au four après l’exposition sur une plaque chauffante en deux tranches : 65 ° C pendant 1 min suivie de 95 ° C pendant 3 min. autoriser la gaufrette se refroidir pendant 5 min.
- Immerger la gaufrette dans 100 mL de propylène-glycol---acétate d’éther méthylique dans un plat en verre la cristallisation. Agiter délicatement à la main pendant 10 min développer le modèle de la résine photosensible. Rincez-la avec de l’isopropanol et sécher la plaquette sous un courant d’air sec.
- Dur faire cuire la galette sur une plaque chauffante en deux tranches : 120 ° C pendant 5 min, suivi de 150 ° C pendant 10 min. autoriser la gaufrette se refroidir pendant 15 min.
- Cast PDMS sur le moule maître de gaufrette de silicium
- Mélanger un total de 30 g de l’élastomère PDMS et de salaison dans un rapport de 5:1 à l’intérieur d’un contenant jetable non poussiéreux.
- Dégazer le PDMS dans un dessiccateur à vide pendant 30 min.
- Verser le PDMS sur le moule maître wafer de silicium de résine photosensible à motifs dans un verre de 150 mm boîte de Pétri.
- Placez la boîte de Pétri contenant la plaquette et du PDMS dans un four à 80 ° C pendant 1 h.
- Retirer le plat de Pétri du four et laisser le contenu à température ambiante.
Remarque : La procédure peut être suspendue à ce stade.
- Préparer le moule PDMS pour le transfert de motif à l’adhésif optique
- Soigneusement couper le moule PDMS à l’aide d’un scalpel et peler le moule de la plaquette.
- Nettoyer et protéger le PDMS de moule à l’aide de ruban adhésif transparent.
Remarque : La procédure peut être suspendue à ce stade. - Placer le moule PDMS, modèle-vers le haut, en bas d’un plastique non poussiéreux 60 mm boîte de Pétri. Permettre à 10 s pour le PDMS à coller sur le plastique.
- Protéger la surface de la bande en plastique transparent le PDMS jusqu'à l’étape 3.1.1.
Remarque : En option : pour rendre le générateur de mousse, répétez les étapes 2.1. par le biais de 2.3.2. pour la conception générateur de mousse.
3. Fabrication de dispositifs adhésifs optique
- Monter des optique adhésif sur le moule PDMS
- Retirez la bande de la surface à motifs du PDMS et versez adhésif optique dans le 150 mm boîte de Pétri jusqu'à une profondeur d’environ 0,9 cm au-dessus de la surface supérieure de la moulure de PDMS. Retirez délicatement les bulles avec n’importe quel type de tampon d’ouate.
- Polymériser la résine optique sous ultraviolets pour un total de 40 min décrites aux étapes 3.2.1 - 3.2.5 dans un système de PSD-UV.
ATTENTION : Porter une protection appropriée lorsque vous travaillez avec la lumière UV.- Exposer la boîte de Pétri à la lumière UV (254 nm) pendant 5 min.
- Inverser la boîte de Pétri, tel que le fond est maintenant face à la source UV et exposer le côté moins aux rayons ultraviolets pendant 5 min.
- Inverser la boîte de Pétri, retourner à la position verticale et ré-exposer le dessus aux UV pendant 5 min.
- Inverser la boîte de Pétri à l’envers à nouveau et ré-exposer la face inférieure aux UV pendant 10 min.
- Inverser la boîte de Pétri à la position debout et ré-exposer le dessus aux UV pendant 15 min.
Remarque : La procédure polymérisation en étapes 3.2.1 par 3.2.5 s’applique uniquement lorsque l’appareil spécifié de PSD-UV est utilisé (Table des matières). Temps de polymérisation variera selon la lampe spécifique qui est utilisée et l’épaisseur exacte de la couche de colle optique.
- Enlever l’adhésif optique durci du moule PDMS
- Utiliser un cutter pour briser délicatement l’adhésif optique hors du moule de la boîte de Pétri.
ATTENTION : Les lames de coupe boîte sont très tranchantes et peuvent facilement couper la chair. Soyez prudent lorsque vous travaillez sur les bords tranchants des boîtes de Pétri cassé. - Utilisez une solide paire de ciseaux pour enlever le surplus de colle optique du bord de la conception.
- Lentement, peler le moule PDMS loin la rondelle adhésive optique. Protéger les parties modelés de la surface adhésive optique et la surface PDMS avec ruban adhésif transparent.
- Utiliser un poinçon de biopsie de 1,0 mm pour créer l’entrée, la sortie et vidange trous. Protéger l’adhésif optique à motifs avec ruban adhésif transparent.
- Utiliser un cutter pour briser délicatement l’adhésif optique hors du moule de la boîte de Pétri.
- Préparer le substrat
- Verser 1 mL de colle optique sur une nouvelle lame de verre et un spin-manteau la diapositive en deux étapes : 500 tr/min pendant 5 s puis 4 000 tr/min pendant 20 s.
- Transférer rapidement le substrat pour le traitement par la lumière UV et guérir partiellement la mince couche de colle optique sous ultraviolets pendant 30 s.
- Coller l’adhésif optique monter au substrat
- Placer le plâtre adhésif optique, motifs vers le haut et le substrat, enduit-vers le haut, dans un plasma de2 O plus propre. Plasma nettoyer la surface pour 20 s à 540 mTorr.
- Appuyez fermement sur les deux surfaces traitées ensemble jusqu'à ce que toutes les poches d’air indésirables ont été minimisées ou retirées.
- Totalement guérir l’appareil sous la lumière UV pendant 20 min.
ATTENTION : Pour la lumière UV, porter une protection appropriée comme lunettes de protection, gants, blouse, etc.. - Placez l’appareil sur une plaque chauffante à 50 ° C pendant 18 heures.
- Insérer un long segment de 6 pouces de 0,58 mm ID basse densité en polyéthylène (PE/3) dans chacun des ports de l’appareil.
- Utilisez un époxyde de réglage rapide 5 min pour fixer le tube en place.
Remarque : En option : pour exécuter le générateur de mousse, répétez les étapes 3.5.1 3.5.2, 3.6 et 3.7. à l’aide du générateur de mousse PDMS cast et un nouveau verre glissent, au lieu de l’optique cast adhésif et substrats préparés, respectivement.
4. déplacement d’hydrocarbures
- Préparer le dispositif microfluidique à être photographié sur un microscope inversé équipé d’une caméra à grande vitesse. Fixer l’appareil sur la platine du microscope à l’aide de ruban adhésif. À l’aide d’un objectif 4 X, se concentrer sur la zone d’intérêt (AOI).
- Préparer les fluides d’injection
Remarque : Pour les systèmes triphasés, un colorant ajoutons pour effacer deplaceur fluides pour fournir le contraste des couleurs pour l’analyse de l’image.- Jauge de charge 3 mL de pétrole brut ou l’échantillon d’huile de modèle dans une seringue de verre de 10 mL équipée d’un 23 embout applicateur industriel. Fixer la seringue dans le support de pompe seringue et définissez la valeur de diamètre approprié sur les paramètres de pompe seringue.
- Charge 1 mL du liquide dans une seringue de 3 mL en plastique équipé d’un 23 deplaceur de calibre industriel embout applicateur. Fixer la seringue dans le support de pompe seringue et définissez la valeur de diamètre approprié sur les paramètres de pompe seringue.
Remarque : En option : pour des expériences de production de mousse, connectez un 10 m long 25 µm Diamètre tube capillaire en verre d’une bouteille de gaz N2 et régler la pression du gaz à la valeur souhaitée pour le débit de gaz nécessaire obtenu à partir d’une courbe d’étalonnage. Laisser 10 min pour le débit de gaz s’équilibrer.
- Saturer le périphérique de milieux poreux modèle optique adhésive avec de l’huile
- Raccorder le deplacement fluide à l’entrée du dispositif en insérant la pointe de l’aiguille dans le tuyau PE/3.
Remarque : En option : quand la mousse est utilisée comme la phase deplaceur, raccorder la seringue de liquide DEPLACEMENT à l’entrée du générateur de mousse. Connectez le capillaire de gaz sur la deuxième voie d’entrée du générateur de mousse en insérant le tube capillaire dans un embout applicateur industriel de calibre 23 et sceller l’espace annulaire à l’époxy de réglage rapide. La sortie du générateur de mousse est ensuite fixé à l’entrée de l’appareil optique de colle à l’aide d’un connecteur de calibre 23. - Raccorder la seringue remplie d’huile à l’entrée de l’appareil en insérant la pointe de l’aiguille dans le tuyau PE/3.
- Commencer à couler l’huile dans l’orifice de sortie de l’appareil optique adhésif à 2 mL/h tout en circulant simultanément le liquide DEPLACEMENT à l’orifice à 0,8 mL/h tel que les deux fluides coulent hors cet orifice. Le liquide de remplacement ne devrait pas entrer dans les milieux poreux. Recueillir l’effluent dans un flacon de verre de 20 mL.
- Raccorder le deplacement fluide à l’entrée du dispositif en insérant la pointe de l’aiguille dans le tuyau PE/3.
- Commencer à filmer l’AOI sur le périphérique de milieux poreux à une cadence assez rapide pour capturer les phénomènes désirées. Une cadence typique est de 50 images par seconde. Capturer une image fixe de la zone saturée d’huile de 100 %.
- Rapidement et simultanément couper le tube PE/3 qui coule dans l’huile à l’aide de ciseaux tout en serrage du tuyau de vidange avec une pince de liant de 5 cm.
- Laissez le liquide deplaceur d’envahir l’appareil jusqu'à ce que le déplacement de l’huile atteint stationnaire ou la caméra est à court de mémoire.
5. image et analyse de données
- Utiliser un logiciel d’analyse gratuit image comme Image J ou la boîte à outils de l’analyse image dans MATLAB pour analyser les images tirées de l’expérience.
- À l’aide de l’image fixe du canal saturé d’huile 100 %, calculer la porosité en unités de pour cent pour les milieux poreux AOI.
- Calculer le volume de pore à l’aide de l’équation suivante :
- Logiciel d’analyse image permet de déterminer la saturation de l’huile, sous forme de fraction de l’espace du débit total, dans chaque image de la séquence vidéo de l’expérience. Pour des expériences de déplacement à deux phases, la saturation deplaceur de phase dans chaque image peut être calculée comme :
- Dessinez un tracé de saturation en huile en pour cent vs volumes de pore de fluide injecté
Remarque : En option : pour triphasé systèmes tels que ceux des expériences de déplacement de mousse, utilisez la boîte à outils d’analyse d’image MATLAB pour classer chaque phase deplaceur de couleur à l’aide de la caractéristique plage RVB pour chaque phase. Dessinez un tracé en montrant les saturations des tous les trois phases de volumes de pores injectée.
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Representative Results
Dans cette expérience exemple, mousse aqueuse est utilisé pour remplacer le pétrole brut moyen Orient (5,4 cP de viscosité) et de densité API de 40 ° dans un milieu poreux hétérogène avec contraste de perméabilité en couches. Un générateur de mousse PDMS est relié à une optique Micromodels adhésif qui était déjà complètement saturé avec du pétrole brut. Figure 1 a montre la conception CAO de la photolithographie pour le PDMS mousse générateur, la plaquette de silicium de résine photosensible à motifs et le générateur de mousse rempli avec entrée et sortie des tubes insérés. Figure 1 b montre des images correspondantes pour les milieux poreux hétérogènes modèle adhésif optique avec contraste de perméabilité en couches. Notez les portions respectives de transparentes et opaques de la conception de photomask. Comme illustré à la Figure 2, mousse grossière est généré par une géométrie d’écoulement de mise au point dans lequel gaz et liquides sont injectées conjointement. Le débit total sélectionné pour cette démonstration est 0,8 mL/h avec un débit fractionnaire de gaz azote d’environ 90 %. La solution de tensioactif utilisée est un ratio de 1:1 d’alpha Oléfinesulfonate de C14-16 à lauryl betaine à une concentration de 1 % en poids. Un 1 wt % concentration de colorant de grade alimentaire bleu est utilisée dans la phase aqueuse pour aider à distinguer les postes de l’appareil de cette phase. Une texture plus fine de la mousse est produite comme mousse dans la section flux de mise au point propagée par le biais de la Micromodels générateur de mousse homogène. Bulles plus petites sont généralement observées à sortir de la matrice à motifs que celles qui sont faites par la géométrie de l’écoulement de focalisation seul. Une fois la génération de mousse stable est obtenue, mousse flux est alors dévié à l’optique Micromodels adhésif pour remplacer le pétrole brut. Vidéos du processus de déplacement ont été capturés à 50fps par une caméra à grande vitesse, qui a permis pour le traitement de l’image par image de la séquence. Dans la Figure 3, les profils de saturation pour chaque phase fluide ont été tracées en fonction du volume total de pore fluide injecté.
Techniques de traitement d’image permettent aussi de quantifier la fluide séparation de phase de détournement et de la mousse dans les différentes couches. Les forces capillaires entre différentes phases plus du liquide conduira à la région de perméabilité inférieure et plus encore du gaz dans la région de perméabilité plus élevée. La figure 4 montre les changements de saturation qui s’est produite pendant le déplacement de pétrole brut experiment en fonction du total fluide injecté volumes de pores. Comme prévu, à l’état stable, saturation de gaz était significativement plus élevée dans la région de haute perméabilité comparée à celle dans la région de faible perméabilité.
Outre l’analyse du changement de saturation lors de l’expérience de déplacement de l’huile, une série d’événements au niveau du pore tels que la déstabilisation de la mousse, la génération de bulle, formation de lamelles d’huile et émulsification de pétrole brut pourrait également être facilement identifiée. Dans la Figure 5, certains de ces dynamiques de mousse dans la présence de pétrole brut sont indiqués. Dans cette figure, les bulles d’intérêt sont de couleur verte. La mousse est thermodynamiquement métastable et fusionne en milieux poreux par des mécanismes tels que la succion capillaire (Figure 5C), diffusion de gaz (Figure 5e), les fluctuations thermiques ou mécaniques. Pétrole brut a également un effet néfaste sur la mousse (Figure 5 b et Figure5D). Le succès de l’envahissement de la mousse dépend de différents mécanismes de régénération de la bulle. Nous identifions les mécanismes de génération de mousse in situ comme bulle pincement (Figure 5 a) et division de lamelles (Figure 5f).
Figure 1 : la fabrication de dispositifs de milieux poreux Micromodels. (a) générateur de mousse base PDMS : la conception CAD, le moule de résine photosensible sur une plaquette de silice et l’appareil rempli ; (b) optique axée sur l’adhésif des milieux poreux hétérogènes Micromodels avec contraste de perméabilité en couches : la conception CAD, le moule de résine photosensible, le moule PDMS et l’appareil rempli. Les barres d’échelle indiquent environ un pouce. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : génération de mousse dans le PDMS base homogène Micromodels. Mousse grossière est généré par le flux de mise au point du dispositif qui devient plus fine mousse traverse l’appareil. La barre d’échelle indique 1 mm. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : caractériser les déplacement de pétrole brut par la mousse. (a) initiale de l’État : saturation de 100 % d’huile (huile brute en brun, poteaux en blanc) ; image d’arrière-plan binaire (b) pour la Micromodels ; (c) une section de l’échantillon par le déplacement de pétrole brut vidéo ; (d) converti en image après traitement Matlab pour distinguer les phases distinctes où vert = gaz, bleu = phase aqueuse, rouge = phase huileuse ; histoire de saturation (e) (flèche noire indique l’heure lors de la prise de (c) ). La barre d’échelle indique 400 µm. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : histoire de Saturation à différentes régions pour montrer la séparation des phases liquide détournement et de la mousse. (a) région haute perméabilité ; région de faible perméabilité (b) ; (c) région de fracture. L’étiquette sur les axes verticaux est synonyme de saturation de chaque phase (%).
Figure 5 : mousse dynamique en présence de pétrole brut. (a) production de mousse par bulle pincement mécanisme ; coalescence de bulle (b) en présence de pétrole brut ; coalescence de bulle (c) de succion capillaire ; (d) mousse de destruction dans la région de fracture ; (e) mousse granocroissance par diffusion de gaz ; (f) génération de mousse par division de la lamelle. Les bulles de gaz d’intérêt sont de couleur verte. La barre d’échelle indique 400 µm. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
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Discussion
Ce protocole pour l’étude des procédés de récupération de pétrole en optique micromodels adhésif établit un équilibre entre la robustesse des micromodels non polymérique – comme le verre ou le silicium – et la fabrication facile des dispositifs microfluidiques PDMS. Contrairement à micromodels en verre ou adhésif optique, dispositifs PDMS manquent de résistance à la lumière des espèces organiques. Micromodels PDMS ne sont pas idéales pour de nombreuses expériences parce que les surfaces de ces dispositifs ont des propriétés mouillantes instable, et la matrice polymère est perméable aux gaz19. En revanche, adhésif optique a montré mouillabilité beaucoup plus stable que le PDMS, et il est beaucoup moins perméable aux gaz20,21,22. Plus précisément, l’eau angle de contact d’optique adhésif reste stable pendant des jours après traitement au plasma2 O, par rapport aux heures de PDMS21. Par conséquent, avec un minimum d’effort supplémentaire, construisant micromodels d’adhésif optique, plutôt que de PDMS, accorde meilleure résistance aux solvant, les propriétés de mouillage plus stables et plus faible perméabilité aux gaz. adhésif optique remplace micromodels ni verre ni silicone, cependant, car ces matériaux résistent beaucoup des températures plus élevées et des pressions. En outre, dispositifs optiques microfluidiques adhésif peuvent présenter un bond dégradation lors d’expériences à long terme14. Compte tenu de la difficulté et la dépense de construction micromodels verre et silicone, adhésif optique est toujours le matériau de choix pour des expériences de déplacement ambiant à court terme portant sur des substances organiques légères. Par conséquent, employant optique micromodels adhésives pour l’étude des procédés de récupération du pétrole brut est une alternative facile et rentable à l’utilisation de verre à forte main-d'oeuvre et silicium micromodels.
Une attention particulière devrait versée à plusieurs aspects critiques de la portion de maître-moule préparation de wafer silicium résine photosensible à motifs du Protocole afin d’éviter les résultats infructueux. Tout d’abord, la meilleure pratique dicte les températures rampe lentement (5 ° C / min) pendant toutes les étapes de cuisson. Échauffement rapide peut provoquer des fractures de stress thermiques dans la plaquette. Deuxièmement, adhérence de la résine photosensible à la plaquette de silicium devrait être encouragée tant que de besoin. Lorsque vous utilisez une nouvelle plaquette, incidents de séparation doivent se produisent rarement, mais si la séparation de la résine photosensible durcie de la plaquette est un problème, puis des mesures préventives peuvent être prises. Meilleure affinité de résine photosensible pour la surface de la plaquette peut entraîner un rinçage à l’alcool isopropylique rapide suivi d’une étape de pré cuire au four à 110 ° C pendant 10 min. Troisième, note que les paramètres indiqués dans la procédure de dosage UV, temps de cuisson, températures de cuisson et l’élaboration des fois peuvent être sensibles aux changements de conditions environnementales, marque de l’instrument et numéro du lot de produits chimiques. Ainsi, les ressources devraient être allouées pour plusieurs essais régler ces paramètres importants pour éliminer les problèmes tels que la polymérisation excessive, sous-développé caractéristiques, fonctionnalités non résolues ou mauvaise adhérence de la plaquette. Si ces conseils sont pris en considération, plaquettes de silicium devraient être modelés avec succès avec une relative facilité.
Plus tard dans le protocole, plusieurs nuances de la fabrication de dispositifs et de mesures expérimentales de cette procédure peuvent beaucoup contribuer à des résultats positifs. Par exemple, le rapport entre la composante non standard du PDMS offre quelques avantages. Pour la réticulation de PDMS, un élastomère de 10:1 de rapport de l’agent de polymérisation est couramment utilisé ; Toutefois, un ratio de 5:1 autorise un polymère plus sévère qui guérit plus rapidement et peut être réutilisé plusieurs fois. Pour la préparation de l’appareil adhésif optique réelle, il convient de noter que les mesures de durcissement sont tous précisément à l’écoute afin d’éviter les écueils potentiels. Par conséquent, guérir partiellement la fine couche d’adhésif optique sur le substrat pour le périphérique est crucial pour une liaison extra forte à la partie du casting. En outre, la colle optique est guérie des deux côtés afin d’assurer la même guérir tout au long. Si la colle optique n’a pas complètement guéri, puis le moule PDMS pourrait se déchirer au moment du retrait de la troupe. À l’inverse, si l’adhésif optique est guéri depuis trop longtemps, le matériau deviendrait alors difficile défavorablement. Époxy trop durci peut potentiellement briser l’outil perforation utilisé pour faire les trous de port. Si le plâtre est trop durci, les ports peuvent être sable soufflé ou percés avec un foret de diamètre de 1 mm sur une perceuse. Enfin, tout en menant les expériences de déplacement, le liquide de remplacement ne puissent pas entrer le Micromodels avant le pétrole brut. La mouillabilité des voies micro faite initialement humides-huile de premier contact avec le pétrole brut, mais permettant aux composants du fluide deplaceur d’altérer les surfaces Micromodels pourraient modifier l’exécution de la stratégie de déplacement. Suite à ces étapes avec soin dans la construction du dispositif microfluidique et le déplacement expérience aidera à s’assurer que les ressources ne vont pas perdre.
À l’avenir, optique micromodels adhésif continuera d’être un outil précieux pour la recherche de la microfluidique. Ces dispositifs peuvent servir comme une plateforme de criblage robuste pour injection de fluides adaptées aux pétroles spécifiques. En outre, ces outils peuvent servir à l’étude des mécanismes fondamentaux de la récupération assistée des hydrocarbures, contrôle de la mobilité, flux de mousse ou expériences microbienne anaérobie assistée des hydrocarbures (RAH). La rentabilité et les propriétés favorables des micromodels adhésif optique naturellement prêtent ces outils un avantage dans le champ de récupération de pétrole microfluidiques.
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Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Nous reconnaissons l’appui financier de la Rice University Consortium for procédés en milieux poreux (Houston, TX, é.-u.).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3 mL Leur-Lok Syringe | Fischer Scientific | 14-823-435 | |
| 10 mL Glass Syringe | Fischer Scientific | 1482698G | |
| Photomask | CAD/Art Services | ||
| Silicon Wafer | University Wafer | 452 | |
| Propylene-Glycol-Methyl-Ether-Acetate | Sigma Aldrich | 484431-4L | |
| 150 mm Glass Petri Dish | Carolina Biological Supply | #721134 | |
| 60 mm Plastic Petri Dish | Carolina Biological Supply | #741246 | |
| Mask Aligner | EV Group | EVG 620 | |
| 1 mm Biopsy Punch | Miltex, Plainsboro, NJ | 69031-01 | |
| Industrial Dispensing Tip | CML Supply | Gauge 23 | |
| Inverted Microscope | Olympus | IX-71 | |
| Plasma System | Harrick Plasma | PDC-32G | Plasma cleaner |
| Polydimehtylsiloxane (PDMS) | Dow Corning, Midland, MI | SYLGARD 184 | |
| Norland Optical Adhesive 81 (NOA81) or (OA) | Norland Products Inc. | 8116 | Optical adhesive |
| Quick-Set Epoxy | Fisher Scientific | 4001 | |
| Glass Slides | Globe Scientic Inc. | 1321 | |
| SU-8 2015 Photoresist | MicroChem | SU-8 2015 | Photo resist |
| Syringe Pump | Harvard Apparatus | Fusion 400 | |
| Glass Capillary Tubing | SGE Analytical Science | 1154710C | |
| High-Speed Camera | Vision Research | V 4.3 | |
| Polyethylene Tubing | Scientific Commodities Inc. | #BB31695-PE/3 |
References
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