3-1 微模型實驗系統概述
m m
本研究發展之微模型板是由300μ ~1200μ 之正方形孔頸單元，藉由微模型內互 連通之孔隙通道，將三相流体(NAPL、空氣、水)控制在設定壓力水頭值範圍，而逐步 作增加或減少壓力水頭之微模型實驗。整個微模型實驗系統包括微模型板
、
壓力控制 系統、
CCD、
XY 移動平台、
試驗液體、
影像處理軟體等構件，實驗系統組合圖如 圖3-1 所示， 有關實驗共同構件主要是 CCD ， XY 移動平台，將於 3-1 節詳細說明；至於微模型和壓力控制系統，於3-2 節及 3-3 節則分別只先作概略性介紹，主要是因為 第四章二相流置換機制微模型實驗、第五章二相流體特性曲線實驗與第六章三相流體特 性曲線實驗在微模型和壓力控制系統兩部份各不相同，本文將在四、五、六章各章節進 ㄧ步說明；另外影像處理軟體等則於3-4 節作完整介紹。
CCD 影像系統
本研究採用泰洛科技(Nowa Co., Ltd.)所代理的數位CCD影像系統，內部包含一CCD照相 機，及一數位影像擷取卡。此系統的優點在由CCD到影像擷取卡都是以數位訊號傳遞，
而非像以前的影像處理方式，以前的影像處理是CCD照相機以類比訊號傳至影像擷取 卡後，擷取卡再將類比訊號轉成數位影像，而在轉置過程中會導致訊號能量的損失，造 成照片失真等情形。而本研究所採用的數位CCD影像系統則是在CCD照相機時即以數 位訊號取得影像，並將它分別以紅色、綠色、藍色及同步訊號等四個訊號分別傳輸，未 經由任何的影像訊號的處理與轉置，更未造成訊號能量的損耗，這一點對於影像分析處 理上至為重要。
該數位 CCD 影像系統最快能以每秒 25 張的速度連拍，對於觀察微模型內的變化 顯已足夠。該系統另配備顯微鏡頭及廣角鏡頭，顯微鏡頭的觀察範圍為0.8mm
×0.8mm，可充分觀察到微模型單一孔隙內的變化，廣角鏡頭的觀察範圍則是 4cm ×4cm
～32 cm ×32 cm，主要在觀察微模型整體的變化情形。
XY 移動平台
本研究將CCD 影像系統置於一 XY 平台上，該平台能使 CCD 照相機能在平面上 任意移動，並附有減速馬達，能以不同速度移動。平台也附有 Z 軸方向移動功能，可 供CCD 照相機調整焦距之用。
試驗液體
P-S 及 -S 實驗曲線所選取之試驗液體，有機液體方面本研究選用屬於 LNAPL 的 柴油及屬於DNAPL 的四氯乙烷。柴油與汽油均為機動車輛的燃料油，代表加油站地下 儲存槽主要的儲存液體，是土壤與地下水污染的主要來源。且柴油的揮發性較低，壓力 較 易 控 制 。 四 氯 乙 烷 為 目 前 最 常 見 的 DNAPL 污 染 物 之 一 ， 其 結 構 式 為 1,1,2,2-Tetrachloroethane。本實驗將去離子水及有機物溶劑分別以藍色及紅色染劑加以 染色，控制其濃度為0.05﹪。此濃度以影響試驗液體之物理特性最小，又可清楚分辨出 兩種度同的液體為原則。因此實驗中所觀察的藍色液體為水，紅色液體為有機溶液。考 慮到所加染料對試驗液體表面張力的影響，特別將染色後的試驗液體，送至工研院化工 所分析（附錄三），經工研院分析水表面張力之數據結果證實加入染料（濃度百分率 0.005%）前後對液體表面張力影響確實甚微之論點，因此本研究除了水表面張力之實驗 數據外，並不須作其他液體之物性數據，試驗液體之性質列於表3-1 中。
Kr
表3-1 試驗液體之重要性質
試驗液體 化學式
密度（ 3 cm
g ）
(24℃下)
表面張力
（與空氣界面張力）
（dynes/cm）
與水界面張力
（dynes/cm）
水（染色後） H2O 0.997 71.5
柴油 0.820 22.8 48.7
四氯乙烷 C2H2Cl4 1.600 32.75 38.75
CCD 攝影機架設於 XY TABLE 上
空氣 水
微模型
照明設備 兩通控制閥門
三通控制閥門
圖 3-1 微模型實驗系統立面組合圖
3-2 微模型板設計製作
以下就微模型材質、微模型板孔頸網絡設計、雷射加工技術等實驗系統開發作完整 說明。前人所做的微模型實驗方面之研究，大多以玻璃材質為主，雖然微模型板內之孔 隙形狀尚可控制，但在深度方面一直無法獲得很好的控制，而本研究的微模型主要以壓 克力板 (塑膠)為應用材質，在此先簡介其基本特性，俾使能更瞭解為何本研究選用塑 膠類為主要應用材料。聚合物(polymer)，又稱為高分子或巨分子(Macromolecules)，也 是一般所俗稱的『塑膠』(Plastics)或樹脂(Resin)。所謂塑膠，其實它是『合成樹脂』中 的一種，形狀跟天然樹脂中的『松樹脂』相似，但因又經過化學的力量來合成，而被稱 之為塑膠。
根據美國材料試驗協會所下的定義，塑膠乃是一種以高分子量有機物質為主要成分 的材料，它在加工完成時呈現固態形狀，在製造以及加工過程中，可以藉『流動』(Flow) 來造型.因此經由此說明我們可以得到以下幾項了解:
1. 它是高分子有機化合物
2. 它可以多種型態存在例如液體固體膠體溶液等 3. 它可以成形(Moldable)
4. 種類繁多因為不同的單體組成所以造成不同之塑膠 5. 用途廣泛產品呈現多樣化
6. 具有不同的性質
7. 可以用不同的加工方法(Processing method )
聚合物是由許多較小而結構簡單的小分子(Monomer)，藉共價鍵來組合而成的。聚 合物的種類繁多，一般若是以其對熱之變化來分類，其可以分為兩大類:
1. 熱固性塑膠(Thermo set plastics ):指的是加熱後，會使分子構造結合成網狀型態。一 但結合成網狀聚合體，即使再加熱也不會軟化，顯示出所謂的[非可逆變化]，是分 子構造發生變化(化學變化 )所致。
2. 熱塑性塑膠(Thermo plastics ):指加熱後會熔化，可流動至模具冷卻後成型，再加熱 後又會熔化的塑膠；即可運用加熱及冷卻，使其產生可逆變化(液態←→固態)，是 所謂的物理變化。
本研究應用雷射加工技術將微模型雕刻在壓克力板(聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA) 上。壓克力塑膠其化學結構式如圖3-2 所示，特性為非晶體聚合物，92%光線穿透率，
熱變性溫度介於74℃~102℃間，而其應用優點在於 1.高光學透明性 2.耐候性佳 3.剛性 佳4.易染色，但其缺點在於 1.耐化性差 2.長期使用溫度最高 93℃ 3.應力集中處，較易 碎化，主要用途在燈罩、窗玻璃、標示牌、光學透鏡、硬式隱形眼鏡、汽車零件等。
圗 3-2 壓克力化學結構式
選擇壓克力為主要應用的材質，其主要原因在於第一，壓克力塑膠為熱塑型塑膠，
加工容易，透光性好，容易成型，符合本研究可透視微模型的要求，第二，壓克力塑膠 也為雷射雕刻機應用良好的材質。
微模型刻在一塊 2 公分厚，尺寸大小分別為約 5 個*5 個孔隙，20 個*20 個孔隙等 兩種不同尺寸之壓克力塊上，分別使用於孔頸置換機制探討 二相流 微模 型試驗及三相流 微模型試驗平台。其孔頸單元細部放大圖如圖3-3 所示，較 大的正方形即為孔隙(Pore)，而較小的長方形為通道(Throat)，孔隙與孔隙中心點相距 2.2mm。微模型是由各五種不同寬度的通道(Throat)及孔隙(Pore)以代表土壤孔隙分佈的 情形，板之各邊為20 個孔隙，而孔隙之間以通道相連通，總共 400 個孔隙與 760 個通
P S Kr − − P
S Kr − −
道，其通道寬度列於表3-2。微模板孔隙是由五種不同寬度之孔頸尺寸組合，其中五種 不同寬度之孔及頸單元各別出現之機率都相同都各為 1/5，因此微模板孔隙分佈應該是 屬於一種非連續的分佈。每一個孔隙及通道寬度的決定均由AUTOCAD 的 Visual Basic for Application (VBA )所均勻隨機產生，同時可計算各種寬度的孔隙與通道的個數，及 所佔的比率等，如表3-3。最後並可計算其涵蓋的總面積 18.5 ，其中孔隙所佔的面 積7.7 ，孔隙率約0.42。深度方面孔隙與通道相同，其深度約為 0.8mm。
cm2
cm2
圖3-3 孔頸單元細部放大圖
表3-2 孔隙與通道寬度表（單位：mm）
孔隙（Pore） 通道 （Throat） 柵欄（Barrier）
0.60 0.3 0.1 0.72 0.34 0.2 0.88 0.38 1 1.14 0.42 1.28 0.46
2.2m m
孔 隙 （P o r e）
通 道 （Throat）
未刻部份
表3-3 各種寬度之孔隙、通道的個數及面積（單位：mm）
寬度 個數 面積 所佔比例 0.60 64 23.04 0.01 0.72 88 45.62 0.03 0.88 98 75.89 0.04 1.14 84 109.17 0.06 孔隙
1.28 66 108.13 0.06 0.30 160 102.89 0.06 0.34 168 72.56 0.04 0.38 142 70.07 0.04 0.42 132 70.45 0.04 通道
0.46 158 92.92 0.05 合計 1160 770.74 0.42
同時本研究也在微模型兩側加刻一深度較孔隙深的槽，以便讓液體在進入微模型 前，能先均勻充滿儲存槽後，再均勻的流入微模型中，不同的流體擁有其個別之儲存槽，
如圖3-3~圖 3-4 所示。此外，此儲存槽的寬度及深度亦大到足以忽略毛細效應，這裡所 提到的毛細效應指的是毛細壓力對微模型的影響。
介於微模型與儲存槽之間的是柵欄(Barriers)，柵欄主要目的在防止非濕潤相液體進 入濕潤相液體的儲存槽內，避免非濕潤相跑出微模型板外致實驗無法進行，混淆其他液 體的顏色。非濕潤相流向濕潤相之原因是因為濕潤相會佔滿小孔隙因此非濕潤相必須有 更大壓力才能置換濕潤相。而柵欄寬度的設計則是由進入壓大小來控制，由於進入壓與 孔隙寬度成反比，越窄的柵欄其進入壓越大，抵擋非濕潤相液體的能力越好。因此，窄 的柵欄設計在濕潤相的儲存槽旁，以抵擋非濕潤相液體的進入，而非濕潤相儲存槽則以 較寬的通道連接至微模型孔隙。柵欄寬度值同樣列於表3-2。另外在求 P-S 及 -S 實驗 曲線所用之微模型板如圖3-4~圖 3-5 所示，
Kr
圖 3-4 P-S 微模型示意圖
圖 3-5 Kr-S 微模型示意圖
微模型製作組合方式如圖 3-6 所示，為一刻有微模型的壓克力塊，與一壓克力平 板，外面再以兩壓克力厚塊以螺絲均勻鎖緊，不過由於壓克力材料的關係，市面上壓克 力均有厚薄不均的缺點，最厚的地方與最薄的地方可差距到 0.5mm 之多，這對於微模 型的密合，有著很大的影響。且若是以磨床加以磨平，使其厚薄差距至 0.1mm，但在
實際組合微模型並進行實驗時可發現水仍可由未刻的部分流動。
因此本研究特別在原本未刻的部分，多雕刻一凹槽如圖3-7 所示，黑色部分為雕刻 部分，白色部分為未雕刻部分。凹槽的意義有二：第一，未雕刻部分可區隔凹槽與孔隙 通道，並使得凹槽可儲存空氣。第二，凹槽相對於未雕刻部分與薄板所形成之細縫而言 空間較大，因此雖然細縫中仍有濕潤相（水或柴油，端看實驗而定）
因此本研究特別在原本未刻的部分，多雕刻一凹槽如圖3-7 所示，黑色部分為雕刻 部分，白色部分為未雕刻部分。凹槽的意義有二：第一，未雕刻部分可區隔凹槽與孔隙 通道，並使得凹槽可儲存空氣。第二，凹槽相對於未雕刻部分與薄板所形成之細縫而言 空間較大，因此雖然細縫中仍有濕潤相（水或柴油，端看實驗而定）