Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực kỹ thuật y sinh hiện đại, vật liệu hydrogel đang nhận được sự quan tâm nghiên cứu lớn nhờ các đặc tính tương thích sinh học, khả năng ngậm nước cao và cấu trúc không gian ba chiều mô phỏng chất nền ngoại bào. Hydrogel được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật tái tạo mô sụn, sản xuất băng vết thương kháng khuẩn và làm hệ dẫn truyền thuốc có kiểm soát trong cơ thể. Trong thực tế tổng hợp và lưu trữ, hydrogel tồn tại ở cả thể gel ngậm nước (thể lỏng/nhầy) và thể rắn khô. Để phục vụ công tác phân tích, thử nghiệm và bảo quản, yêu cầu đặt ra là phải tách ẩm ra khỏi mạng lưới polymer mà không làm biến tính hay phá vỡ cấu trúc vi mô của vật liệu.

Tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, các nghiên cứu chuyên sâu về hydrogel đòi hỏi thiết bị sấy chuyên dụng tại phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, các thiết bị sấy thương mại trên thị trường hiện nay chủ yếu là máy sấy nông sản, thực phẩm đối lưu không khí nóng quy mô công nghiệp hoặc gia đình, nhiệt độ sấy cao dễ làm hỏng liên kết polymer nhạy nhiệt. Mặt khác, các hệ thống sấy chân không nhập khẩu chuyên dùng cho phòng thí nghiệm lại có giá thành cao và khả năng tùy biến hạn chế. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn đó, đề tài đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Chế tạo máy tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một mô hình lò sấy chân không kết hợp gia nhiệt bức xạ hồng ngoại phục vụ nghiên cứu vật liệu hydrogel.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án được xác định rõ qua 4 nội dung:

  1. Nghiên cứu tổng quan các phương pháp sấy khô vật liệu ẩm và tính chất nhiệt vật lý của hydrogel.
  2. Thiết kế và chế tạo phần vỏ cơ khí, buồng sấy chân không, hệ thống gia nhiệt, mạch điện động lực và mạch điều khiển.
  3. Thiết kế hệ thống đo đạc, giám sát nhiệt độ từ xa thông qua vi điều khiển và nền tảng Internet vạn vật (IoT).
  4. Xuất bản vẽ gia công cơ khí, sơ đồ mạch điện; tiến hành chế tạo thực tế, chạy thử nghiệm không tải và thực nghiệm sấy mẫu hydrogel nhằm đối chứng với lý thuyết.

Phạm vi nghiên cứu của đồ án được giới hạn trong các thông số kỹ thuật cụ thể:

  • Phạm vi không gian buồng sấy danh định: 300 mm × 300 mm × 400 mm (Rộng × Dài × Cao).
  • Dải nhiệt độ làm việc thiết kế: từ 30°C đến 100°C (nhiệt độ sấy tối đa có thể đạt khoảng 130°C).
  • Mức độ chân không buồng sấy thử nghiệm: đạt ngưỡng 50 cmHg.
  • Đối tượng thử nghiệm: Mẫu vật liệu Ca-alginate hydrogel tổng hợp phục vụ thí nghiệm y sinh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Về mặt cơ sở lý thuyết, đồ án tổng hợp các kiến thức liên ngành giữa khoa học vật liệu, kỹ thuật nhiệt - sấy và kỹ thuật điều khiển điện tử:

  • Lý thuyết vật liệu hydrogel: Cấu trúc mạng polymer ưa nước ba chiều hình thành qua liên kết chéo hóa học (liên kết cộng hóa trị từ phản ứng trùng hợp, phản ứng quang học hoặc xúc tác enzyme) hoặc liên kết chéo vật lý (liên kết hydro, lực hút tĩnh điện, tương tác kỵ nước và liên kết ion với cation hóa trị hai như $Ca^{2+}$). Nguồn gốc hydrogel gồm polymer tự nhiên (alginate, chitosan) và polymer tổng hợp (polyetylen glycol - PEG, polyacrylamide).
  • Lý thuyết truyền nhiệt và động học sấy ẩm: Quá trình sấy được phân tích qua các thông số nhiệt dung riêng $C = C_k \cdot G_k + C_n \cdot G_n$, hệ số dẫn nhiệt $\lambda$, độ ẩm tương đối, độ ẩm cân bằng và đồ thị trạng thái không khí ẩm $I-d$. Động học sấy chia thành ba giai đoạn: giai đoạn đốt nóng vật liệu ($A-B$), giai đoạn tốc độ sấy không đổi ($B-C$) và giai đoạn tốc độ sấy giảm dần ($C-D$). Đồ án viện dẫn các mô hình thực nghiệm động học sấy của Thompson và mô hình Ly - Morey biểu diễn tỉ số ẩm suy giảm theo thời gian $\frac{\omega - \omega_{cb}}{\omega_0 - \omega_{cb}} = \exp(-k\tau^n)$.
  • Vật liệu cách nhiệt: Tiêu chuẩn chọn vật liệu cách nhiệt yêu cầu hệ số dẫn nhiệt $\lambda \le 0,157$ W/(m.°C). Đồ án phân tích các dòng vật liệu trên thị trường gồm bông gốm Ceramic (chịu nhiệt 850°C - 1800°C), bông khoáng tiêu chuẩn ASTM C612-93 và bông thủy tinh. Bông thủy tinh được lựa chọn nhờ khả năng cách nhiệt đạt 95% - 97%, ngưỡng chịu nhiệt đến 350°C, trọng lượng nhẹ và tính khả thi trong thi công kết cấu vỏ lò.
  • Khí cụ điện và thiết bị đo: Nguyên lý đóng ngắt của aptomat (MCB), contactor từ tính, rơ le trung gian 14 chân (chuẩn NEMA/IEC), rơ le thời gian (timer), rơ le bán dẫn (SSR) cách ly quang học, bộ điều chỉnh điện áp (Dimmer AC 4000W), nguồn phát nhiệt đèn sấy hồng ngoại ruby (dây tóc vonfram bức xạ dải nhiệt độ 1000 - 2300 K, bước sóng 760 nm - 1 mm) và hệ thống vi điều khiển ESP8266 kết hợp IC khuếch đại can nhiệt MAX6675.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và thiết kế được triển khai theo các bước:

  • Phương pháp phân tích, tổng hợp tài liệu chuyên khảo về công nghệ sấy chân không vi sóng, sấy bức xạ hồng ngoại từ các công bố quốc tế và trong nước.
  • Phương pháp thiết kế cơ khí 3D và mô phỏng ứng suất tĩnh kết cấu buồng sấy bằng phần mềm Autodesk Inventor.
  • Phương pháp thiết kế hệ thống điện và lập sơ đồ nguyên lý mạch động lực, điều khiển trên phần mềm AutoCAD Electrical 2021.
  • Phương pháp lập trình nhúng trên môi trường Arduino IDE và xây dựng giao diện điều khiển, giám sát IoT qua nền tảng Blynk Cloud.
  • Phương pháp gia công cơ khí thực tế (cắt, chấn gấp, hàn, phay, khoan taro, sơn tĩnh điện), lắp ráp mạch điện và thực nghiệm đối chứng trên mẫu Ca-alginate hydrogel.

Thiết kế và chế tạo hệ thống lò sấy chân không

Hệ thống lò sấy chân không cho vật liệu hydrogel được thiết kế và tích hợp đồng bộ giữa kết cấu cơ khí chịu áp suất âm, hệ thống gia nhiệt - phân phối điện và mô-đun giám sát thông số vận hành qua mạng không dây.

Kết cấu cơ khí và buồng sấy chân không

Khung đỡ toàn bộ hệ thống được chế tạo từ thép định hình ASTM A500, hàn liên kết vững chắc và phủ sơn tĩnh điện bảo vệ bề mặt chống ăn mòn. Buồng sấy chân không là chi tiết chịu lực quan trọng nhất, được chế tạo từ vật liệu thép không gỉ Inox 304, kích thước không gian làm việc bên trong là 300 mm × 300 mm × 400 mm. Để đảm bảo độ bền khi hoạt động trong môi trường áp suất âm, kết cấu buồng sấy được đưa vào phần mềm 3D Inventor để phân tích ứng suất và độ biến dạng (chuyển vị) dưới tải trọng của áp suất khí quyển tác động từ bên ngoài khi hút chân không.

Cửa buồng sấy sử dụng cơ cấu bản lề và khóa siết cơ khí kết hợp gioăng làm kín chuyên dụng, ngăn ngừa hiện tượng rò rỉ khí. Toàn bộ xung quanh mặt ngoài buồng sấy được bọc lớp bông thủy tinh cách nhiệt dày, cố định bằng các tấm cover kim loại nhằm hạn chế tối đa thất thoát nhiệt ra môi trường, duy trì nhiệt độ ổn định bên trong lò và bảo đảm an toàn tiếp xúc cho người vận hành (nhiệt độ vỏ tủ giữ ở mức an toàn dưới 60°C). Cụm van hút khí và đồng hồ đo áp suất chân không được lắp nối trực tiếp vào buồng sấy qua hệ thống cút nối ren tiêu chuẩn.

Hệ thống gia nhiệt và mạch điện động lực

Hệ thống sử dụng đèn sấy hồng ngoại dạng bóng thạch anh ruby chứa khí trơ với dây tóc vonfram làm nguồn phát nhiệt bức xạ. Phương pháp gia nhiệt bức xạ giúp nhiệt lượng truyền trực tiếp vào sâu bên trong cấu trúc mẫu hydrogel mà không cần môi chất không khí truyền dẫn (đặc biệt thích ứng với môi trường chân không). Tổng công suất gia nhiệt danh định đạt 2 kW, vận hành từ lưới điện 1 pha 220V/50Hz.

Mạch điện bao gồm hệ thống bảo vệ đóng ngắt với aptomat MCB hãng LS (tính chọn dòng bảo vệ quá tải $I_{qt} = (1,1 - 1,2) I_{tt}$), khởi động từ Contactor LS, rơ le nhiệt, cầu chì bảo vệ mạch điều khiển, và hệ thống dây dẫn đơn của nhà sản xuất CADIVI. Để kiểm soát dải nhiệt độ, mạch điều khiển sử dụng rơ le bán dẫn SSR phối hợp cùng bộ điều chỉnh điện áp Dimmer AC công suất tối đa 4000W làm mát tự nhiên bằng không khí (được vận hành ở mức 60% - 70% tải danh định để kéo dài tuổi thọ). Quá trình gia nhiệt còn được liên động với rơ le thời gian (timer) và rơ le trung gian 14 chân, cho phép thiết lập và kiểm soát thời gian của chu trình sấy.

Hệ thống giám sát nhiệt độ từ xa qua nền tảng IoT

Để theo dõi nhiệt độ trong buồng chân không theo thời gian thực mà không làm gián đoạn độ kín của hệ thống, nhóm tác giả tích hợp hệ thống đo lường điện tử:

  • Cảm biến và bộ khuếch đại: Sử dụng can nhiệt thermocouple kết hợp với mạch chuyển đổi MAX6675. Mạch tích hợp bộ chuyển đổi tương tự - số ADC 12-bit, độ phân giải nhiệt độ đạt 0,25°C trên 1 đơn vị số, truyền dữ liệu nhiệt độ đo được về vi điều khiển thông qua chuẩn giao tiếp SPI tốc độ cao.
  • Bo mạch điều khiển trung tâm: Sử dụng kit RF thu phát Wi-Fi ESP8266 NodeMCU Lua (chip nạp UART CP2102), kích thước 25 mm × 50 mm, hoạt động ở mức điện áp logic 3,3V. ESP8266 nhận dữ liệu từ MAX6675, xử lý và đóng gói dữ liệu gửi lên internet.
  • Khối nguồn: Mạch chuyển đổi nguồn AC-DC tích hợp bộ lọc nhiễu EMI, chuyển đổi từ điện lưới 220VAC sang hai đường điện áp DC cách ly 12VDC và 5VDC để cấp nguồn nuôi cho các bo mạch điện tử.
  • Giao diện giám sát: Được lập trình liên kết với nền tảng Blynk Cloud. Người giám sát có thể theo dõi đồ thị biến thiên nhiệt độ thời gian thực trên màn hình máy tính hoặc điện thoại thông minh, đồng thời trích xuất dữ liệu phục vụ nghiên cứu thực nghiệm.
Thông số kỹ thuật Giá trị thực nghiệm / Danh định
Nguồn điện vận hành 220VAC - 50Hz (1 pha)
Tổng công suất tiêu thụ 2,0 kW
Kích thước buồng sấy trong ($W \times L \times H$) 300 mm × 300 mm × 400 mm
Vật liệu chế tạo buồng sấy Thép không gỉ Inox 304
Vật liệu khung và vỏ bao che Thép hộp ASTM A500, sơn tĩnh điện
Vật liệu cách nhiệt Bông thủy tinh cách nhiệt (chịu nhiệt đến 350°C)
Nguồn nhiệt sấy Đèn bức xạ hồng ngoại ruby (dây vonfram)
Dải nhiệt độ sấy làm việc 30°C - 100°C (nhiệt độ tối đa ~130°C)
Độ ổn định / Biến động nhiệt độ $\pm 2^\circ\text{C}$
Mức độ chân không buồng sấy 50 cmHg
Số lượng khay chứa mẫu 1 khay
Hệ thống vi điều khiển giám sát ESP8266 NodeMCU + MAX6675 (giao thức SPI)
Nền tảng giám sát không dây Ứng dụng Blynk qua mạng Wi-Fi

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài thông qua việc phân tích đặc tính giữ nước và ứng dụng của vật liệu hydrogel trong y sinh, đồng thời chỉ ra nhu cầu cấp bách về thiết bị sấy chân không tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Chương này tổng quan các nghiên cứu liên quan trong và ngoài nước:

  • Nghiên cứu của Nguyễn Văn Cương và Nguyễn Văn Khải (2015) về sấy chân không vi sóng trên rau quả, chứng minh thời gian sấy giảm từ 14-15 giờ (đối lưu) và 7-9 giờ (chân không gia nhiệt) xuống còn 12-70 phút; hệ số khuếch tán ẩm $D$ đạt $3,6 - 6,7 \times 10^{-9}\text{ m}^2/\text{s}$, cao gấp 25-50 lần sấy đối lưu.
  • Nghiên cứu của Hamid Tavakolipour và Leila Zirjani (2014) về sấy chuối, cho thấy sấy vi sóng rút ngắn 90% thời gian sấy so với đối lưu không khí nóng (từ 300 phút xuống 30 phút), tốc độ sấy tăng gấp 10 lần ($0,12\text{ kg}_w/\text{kg}_s\cdot\text{min}$ so với $0,012\text{ kg}_w/\text{kg}_s\cdot\text{min}$).
  • Nghiên cứu của K. Singh (2020) về mô hình sấy chân không vi sóng quả bầu nâu trong dải áp suất 380 - 680 mmHg, công suất 400 - 800W, làm giảm độ ẩm từ 3,84 kg nước/kg xuống 0,09 kg nước/kg; tăng công suất từ 400 lên 800W giúp độ khuếch tán ẩm tăng 71%.
  • Các tổng hợp của D. Pandiselvam (2021) và Lin-Lin Qi cùng cộng sự (2014) chỉ ra ưu thế vượt trội về tốc độ gia nhiệt và bảo toàn hoạt tính sinh học của bức xạ hồng ngoại kết hợp áp suất chân không so với phương pháp sấy khí nóng truyền thống. Từ các phân tích trên, chương 1 xác định rõ mục tiêu, đối tượng, phạm vi thiết kế và sơ đồ phương pháp nghiên cứu của nhóm tác giả.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày có hệ thống các nền tảng lý thuyết phục vụ tính toán và lựa chọn linh kiện:

  • Phân tích cơ chế tạo gel của hydrogel qua liên kết chéo vật lý và hóa học; tổng quan các ứng dụng cấy mô sụn bằng Alginate, băng bó vết thương (kết hợp silicat trung tính, carboxymethyl cellulose, kháng sinh tetracycline và thuốc nhuộm methylene blue), cùng cơ chế phát tán thuốc có kiểm soát qua dung dịch đệm phosphat (PBS).
  • Phân loại các công nghệ sấy: sấy nóng (đối lưu, tiếp xúc, bức xạ), sấy lạnh (sấy trên 0°C, sấy thăng hoa ở điều kiện $T < 273\text{ K}$, $p < 610\text{ Pa}$, và sấy chân không). Phân tích bản chất các dạng liên kết ẩm, tính toán nhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt của vật liệu ẩm, động học sấy với các mô hình đường cong sấy thực nghiệm.
  • Đánh giá các dòng vật liệu cách nhiệt công nghiệp (bông thủy tinh, bông gốm Ceramic, bông khoáng tiêu chuẩn ASTM C612-93); từ đó đưa ra lựa chọn bông thủy tinh nhờ tính kinh tế và chỉ tiêu nhiệt phù hợp.
  • Trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc và tiêu chuẩn tính chọn của các khí cụ điện: aptomat MCB, contactor đóng ngắt tiếp điểm, relay trung gian 14 chân, relay thời gian, relay bán dẫn SSR, Dimmer AC 4000W và đèn phát bức xạ hồng ngoại ruby.
  • Khảo sát giải pháp giám sát nhiệt độ từ xa thông qua nền tảng Blynk và Arduino IDE, phân tích phần cứng kit ESP8266 NodeMCU, module MAX6675 và mạch nguồn chuyển đổi AC-DC.
  • Khảo sát các thông số kỹ thuật của 3 dòng tủ sấy chân không thương mại: SVAC1 (Shellab - Mỹ, dung tích buồng 304 × 508 × 304 mm, nhiệt độ tối đa 220°C), VO-24D (Taisite - Mỹ, thể tích 24 lít, áp suất chân không dưới 130 Pa, công suất 0,8 kW) và DXF-6020 (Trung Quốc, công suất 800W, kích thước buồng 300 × 280 × 300 mm).

Chương 3: Tính toán, thiết kế và chế tạo lò sấy

Nội dung chương 3 tập trung vào quá trình hiện thực hóa các giải pháp kỹ thuật:

  • Lựa chọn phương án thiết kế tổng thể: buồng sấy kết hợp gia nhiệt bức xạ hồng ngoại trong môi trường chân không nhằm tối ưu hóa tốc độ thoát ẩm cho vật liệu nhạy nhiệt.
  • Thiết kế cơ khí chi tiết: Xây dựng mô hình 3D khung máy từ thép ASTM A500, buồng sấy Inox 304 kích thước lòng 300 × 300 × 400 mm, cửa buồng sấy gắn kính quan sát chịu áp và gioăng kín. Thiết lập bài toán đặt lực và áp suất khí quyển trên phần mềm Inventor 3D để mô phỏng, tính toán ứng suất tối đa và chuyển vị biến dạng của thành buồng sấy.
  • Tính toán nhiệt động lực học: Xác định lượng ẩm cần bốc hơi, tính toán nhiệt lượng cần thiết cho toàn bộ chu trình sấy, cân bằng nhiệt hệ thống và tính chọn công suất bơm hút chân không phù hợp.
  • Thiết kế hệ thống điện: Xây dựng bản vẽ mạch động lực và mạch điều khiển trên AutoCAD Electrical 2021; thiết lập lưu đồ quy trình vận hành; tính chọn dây dẫn CADIVI, thiết bị đóng cắt MCB, contactor, dimmer điều tiết công suất đèn gia nhiệt.
  • Thiết kế hệ thống giám sát: Xây dựng lưu đồ thuật toán đọc dữ liệu can nhiệt từ MAX6675, sơ đồ nguyên lý ghép nối mạch phần cứng với ESP8266 và cấu hình giao diện bảng điều khiển trên máy tính qua ứng dụng Blynk.

Chương 4: Lắp ráp và thử nghiệm

Chương 4 mô tả toàn bộ quy trình thực nghiệm và kiểm tra chức năng hệ thống:

  • Tiến hành gia công các chi tiết khung máy, gò nắn, hàn liên kết, sơn phủ tĩnh điện và ốp các tấm cover cách nhiệt bông thủy tinh.
  • Đấu nối hoàn thiện tủ điện theo sơ đồ thiết kế, lắp đặt cụm van hút khí, kết nối cảm biến nhiệt và cố định bo mạch giám sát vào thân máy.
  • Thiết lập quy trình vận hành thiết bị theo các bước chuẩn kỹ thuật: nạp mẫu, khóa kín cửa buồng, khởi động bơm chân không, cài đặt công suất qua dimmer và giám sát nhiệt độ.
  • Thử nghiệm không tải: Kiểm tra độ kín khít của hệ thống gioăng và van hút, xác nhận buồng sấy duy trì ổn định mức áp suất chân không 50 cmHg; dải nhiệt độ gia nhiệt hoạt động trơn tru trong khoảng 30°C - 100°C (nhiệt độ tối đa đạt ~130°C), độ biến động nhiệt độ trong buồng duy trì trong biên độ hẹp $\pm 2^\circ\text{C}$.
  • Thử nghiệm có tải trên vật liệu thực tế: Sử dụng mẫu Ca-alginate hydrogel được tổng hợp từ dung dịch 0,5 M $\text{CaCl}_2$ và 4 wt% alginate (hàm lượng nước ban đầu chiếm khoảng 95 wt%). Tiến hành sấy so sánh giữa hai điều kiện thí nghiệm:
    • Mẫu 1: Thực hiện sấy ở nhiệt độ 90°C trong điều kiện áp suất khí quyển (không hút chân không).
    • Mẫu 2: Thực hiện sấy ở nhiệt độ 90°C trong điều kiện hút chân không (áp suất âm 50 cmHg).
  • Phân tích ảnh chụp phóng to bề mặt mẫu sau sấy: Mẫu sấy chân không bốc thoát ẩm đều, bề mặt không bị cháy sém, hạn chế tối đa hiện tượng co rút nứt nẻ và bảo toàn tốt hơn cấu trúc không gian so với mẫu sấy nhiệt thông thường.

Chương 5: Kết luận và định hướng phát triển

Chương 5 đúc kết các kết quả đạt được, thẳng thắn nêu lên những rào cản kỹ thuật gặp phải và định hình hướng đi tiếp theo:

  • Đánh giá mức độ hoàn thành: Chế tạo thành công thiết bị lò sấy chân không hoàn chỉnh, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật đề ra về kích thước, công suất, độ chân không và tính năng giám sát không dây.
  • Khó khăn trong thực tế thi công: Xử lý độ kín tuyệt đối tại các mối hàn và gioăng cao su khi buồng sấy chịu áp lực âm lớn; hiện tượng biến dạng đàn hồi thành buồng đòi hỏi phải tính toán gia cường cơ khí.
  • Hạn chế của thiết bị: Mức độ chân không hiện tại dừng ở mức 50 cmHg, hệ thống điều chỉnh nhiệt độ và xả áp chân không còn phụ thuộc vào thao tác cơ học thủ công qua núm xoay dimmer và van tay gạt.
  • Định hướng phát triển: Nâng cấp hệ thống điều khiển sang vòng lặp kín tự động (PID nhiệt độ và điều khiển áp suất tự động qua van điện từ), cải tiến kết cấu để đạt độ chân không sâu hơn, và mở rộng số lượng khay sấy trong buồng.

Kết quả và đóng góp thực tiễn

Đồ án đã chế tạo thành công sản phẩm lò sấy chân không thực tế phục vụ phòng thí nghiệm với các thông số kỹ thuật được kiểm chứng qua đo đạc:

  • Thiết bị vận hành ổn định ở nguồn điện 220V/50Hz, tổng công suất tiêu thụ điện 2 kW.
  • Buồng sấy bằng Inox 304 kích thước 300 mm × 300 mm × 400 mm duy trì mức độ chân không ổn định ở ngưỡng 50 cmHg.
  • Lớp cách nhiệt bông thủy tinh giữ nhiệt buồng sấy đạt nhiệt độ cực đại khoảng 130°C, dải nhiệt thử nghiệm kiểm soát từ 30°C đến 100°C với sai số biến động nhiệt độ thực tế chỉ $\pm 2^\circ\text{C}$.
  • Tích hợp thành công bo mạch ESP8266 và module MAX6675, cho phép giám sát nhiệt độ liên tục theo thời gian thực trên giao diện đồ họa máy tính qua Blynk.

Về mặt thực nghiệm công nghệ, đồ án cung cấp dữ liệu đối chứng có giá trị trên mẫu vật liệu Ca-alginate hydrogel (tổng hợp từ 0,5 M $\text{CaCl}_2$ và 4 wt% alginate, độ ẩm ban đầu chứa ~95 wt% nước):

  • Ở điều kiện sấy nhiệt 90°C không hút chân không, tốc độ thoát ẩm chậm, mẫu chịu tác động kéo dài của nhiệt và oxy dẫn đến biến tính, bề mặt màng hydrogel bị co rút và biến dạng nứt nẻ nghiêm trọng.
  • Ở điều kiện sấy nhiệt 90°C kết hợp hút chân không 50 cmHg, nhiệt độ sôi của nước trong mao dẫn giảm xuống, ẩm được giải phóng nhanh chóng và đồng đều, cấu trúc màng sau khi khô giữ được độ xốp sinh học và hình thái nguyên bản tốt hơn.

Đóng góp tự nêu của nhóm tác giả so với các nghiên cứu trước nằm ở việc tự chủ hoàn toàn từ khâu thiết kế kết cấu cơ khí, tính toán mô phỏng chịu áp lực âm, đến thi công chế tạo và lập trình điều khiển nhúng cho một hệ thống sấy chân không chuyên biệt cho vật liệu sinh học. Thiết bị có chi phí chế tạo thấp hơn nhiều so với việc nhập khẩu các hệ thống lò sấy phòng thí nghiệm thương mại (như SVAC1 hay VO-24D), đồng thời bổ sung tính năng giám sát IoT không dây giúp linh hoạt hơn trong công tác nghiên cứu tại trường đại học.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Mặc dù đã chế tạo thành công thiết bị và thử nghiệm đạt yêu cầu, đồ án ghi nhận một số hạn chế kỹ thuật:

  • Mức độ chân không tối đa của lò mới đạt ngưỡng 50 cmHg, chưa đạt tới mức chân không cao (nhỏ hơn 130 Pa như các dòng máy công nghiệp VO-24D) do giới hạn về công suất của cụm bơm chân không thí nghiệm và giải pháp làm kín gioăng cửa thủ công.
  • Thành buồng sấy Inox 304 khi chịu áp suất âm khí quyển vẫn có hiện tượng chuyển vị biến dạng đàn hồi cục bộ, cần tính toán bổ sung gân tăng cứng.
  • Mạch điều khiển gia nhiệt hiện tại sử dụng Dimmer bán dẫn điều chỉnh điện áp bằng tay kết hợp rơ le thời gian, chưa tích hợp thuật toán tự động hóa hoàn toàn (như điều khiển hồi tiếp vòng kín PID nhiệt độ và áp suất).
  • Thiết bị chỉ bố trí 1 tầng khay đặt mẫu, giới hạn năng suất sấy mẫu trong một mẻ thí nghiệm.

Hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo được đề xuất:

  • Tự động hóa hoàn toàn quy trình sấy: Tích hợp cảm biến áp suất điện tử, van điện từ xả áp tự động và lập trình thuật toán điều khiển PID trên vi điều khiển để tự động điều tiết công suất đèn sấy và áp suất theo chu trình cài đặt trước.
  • Nâng cấp cụm bơm hút chân không và gia cố cơ khí buồng sấy để đạt mức áp suất chân không sâu hơn, phục vụ các vật liệu polymer có liên kết ẩm bền vững hơn.
  • Thiết kế kết cấu giá đỡ nhiều tầng khay có thể tháo lắp linh hoạt, gia tăng diện tích chứa mẫu hydrogel cho phòng thí nghiệm.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án tốt nghiệp này là nguồn tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Công nghệ Chế tạo máy, Cơ điện tử: Tham khảo quy trình thiết kế hoàn chỉnh một thiết bị cơ điện từ bản vẽ 3D trên Inventor, phương pháp mô phỏng ứng suất tĩnh kết cấu thành mỏng chịu áp suất âm, bản vẽ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển tủ điện công nghiệp trên AutoCAD Electrical 2021.
  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử và Kỹ thuật Nhiệt: Tham khảo giải pháp đo lường nhiệt độ trong môi trường công nghiệp bằng can nhiệt thermocouple kết hợp module MAX6675 và phương thức truyền thông dữ liệu không dây qua vi điều khiển ESP8266 lên nền tảng IoT Blynk.
  • Nhóm nghiên cứu thuộc ngành Kỹ thuật Y sinh, Công nghệ Hóa học và Vật liệu: Tham khảo trực tiếp quy trình tổng hợp mẫu Ca-alginate hydrogel (từ dung dịch $\text{CaCl}_2$ và alginate) cũng như chế độ công nghệ sấy chân không bức xạ (90°C, chân không 50 cmHg) để tách ẩm mà vẫn bảo toàn hình thái mạng polymer.

Câu hỏi thường gặp

1. Các thông số kỹ thuật chính của lò sấy chân không do nhóm tác giả chế tạo là gì?
Lò sấy vận hành với nguồn điện 220V/50Hz, công suất gia nhiệt 2 kW, buồng sấy bằng Inox 304 có kích thước lòng 300 mm × 300 mm × 400 mm, khung thép ASTM A500 bọc cách nhiệt bằng bông thủy tinh. Thiết bị đạt mức độ chân không 50 cmHg, dải nhiệt độ sấy điều chỉnh từ 30°C đến 100°C (nhiệt độ tối đa khoảng 130°C), biên độ biến động nhiệt độ ổn định trong khoảng $\pm 2^\circ\text{C}$ và trang bị 1 khay chứa mẫu.

2. Tại sao đồ án chọn phương pháp gia nhiệt bức xạ hồng ngoại thay vì sấy đối lưu thông thường?
Trong môi trường hút chân không, mật độ các phân tử không khí bị giảm xuống rất thấp, khiến quá trình truyền nhiệt bằng đối lưu không khí nóng gần như mất tác dụng. Đèn sấy hồng ngoại ruby (dây tóc vonfram bức xạ dải bước sóng 760 nm - 1 mm) truyền nhiệt lượng dưới dạng sóng điện từ trực tiếp vào bề mặt và thể tích mẫu vật liệu, giúp hydrogel nhận nhiệt nhanh chóng, làm giảm thời gian sấy và tránh hiện tượng quá nhiệt cục bộ trên bề mặt.

3. Hệ thống giám sát nhiệt độ từ xa của lò sấy được cấu thành từ những phần cứng và phần mềm nào?
Hệ thống giám sát bao gồm cảm biến can nhiệt kết hợp IC khuếch đại MAX6675 (ADC 12-bit, độ phân giải 0,25°C, giao tiếp SPI), bo mạch vi điều khiển ESP8266 NodeMCU Lua tích hợp Wi-Fi, và mạch cấp nguồn chuyển đổi AC-DC (220VAC ra 12V/5VDC). Phần mềm nạp vào vi điều khiển được lập trình bằng Arduino IDE, gửi dữ liệu nhiệt độ thời gian thực lên nền tảng đám mây Blynk để người dùng theo dõi trực tiếp qua giao diện máy tính hoặc điện thoại.

4. Mẫu vật liệu hydrogel dùng trong thử nghiệm sấy thực tế có thành phần và đặc điểm như thế nào?
Mẫu thử nghiệm là Ca-alginate hydrogel, được tổng hợp bằng phản ứng liên kết chéo giữa dung dịch muối canxi clorua 0,5 M $\text{CaCl}_2$ và dung dịch muối natri alginate nồng độ 4 wt%. Mẫu trước khi sấy có hàm lượng nước ngậm trong mạng lưới polymer chiếm tỷ lệ rất lớn, xấp xỉ 95 wt%.

5. Kết quả thực nghiệm sấy mẫu Ca-alginate hydrogel ở 90°C có hút chân không khác biệt gì so với không hút chân không?
Khi sấy ở 90°C không hút chân không, nước thoát chậm và mẫu bị tác động bởi nhiệt độ cao kéo dài cùng oxy môi trường làm màng hydrogel bị co rút mạnh và nứt vỡ bề mặt. Ngược lại, khi sấy ở 90°C kết hợp hút chân không 50 cmHg, nước bốc hơi nhanh ở nhiệt độ sôi thấp hơn, mẫu thoát ẩm đều, bảo toàn cấu trúc mạng không gian và hạn chế tối đa sự biến tính, co ngót của màng polymer.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế chế tạo lò sấy chân không cho vật liệu hydrogels" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã giải quyết thành công bài toán nghiên cứu, chế tạo và thử nghiệm một thiết bị nhiệt - chân không quy mô phòng thí nghiệm hoàn chỉnh. Thiết bị đạt các chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng về độ ổn định nhiệt độ ($\pm 2^\circ\text{C}$), áp suất chân không (50 cmHg) và tích hợp hệ thống giám sát từ xa qua IoT phục vụ tiện lợi cho nghiên cứu. Kết quả thực nghiệm sấy đối chứng trên Ca-alginate hydrogel khẳng định hiệu quả vượt trội của công nghệ sấy chân không bức xạ hồng ngoại trong việc duy trì hình thái và cấu trúc vi mô của vật liệu sinh học nhạy nhiệt.