Биокомпозиттер мен жаңа функционалды технологиялық қоспаларды зерттеу: ҚазҰУ ғалымдарының еңбегі

Қазіргі әлемде экологиялық тұрақтылық пен энергия тиімділігін арттыру маңызды мәселелердің бірі болып табылады. Осы тұрғыда биокомпозиттер – табиғи және синтетикалық материалдардың бірлескен өнімдері – индустрияда кеңінен қолданылып келеді. Автомобилестроение, құрылыс және резеңке өнеркәсібі сияқты салаларда олардың пайдалану ауқымы жыл сайын өсуде. Оның ішінде ерекше назарға лайық биокомпозиттер класы – полимерлі матрица табиғи талшықтармен күшейтілген экологиялық таза материалдар. Мұндай материалдардың танымалдылығы олардың төмен құны, биологиялық ыдырау мүмкіндігі, қоршаған ортаға зиянсыздығы, жеңіл салмағы және әртүрлі талшық түрлерінің қолжетімділігімен түсіндіріледі.

Қазақстандағы ғылыми зерттеулердің жетекші орталықтарының бірі – әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті – осы бағытта өз тәжірибесін белсенді түрде дамытып отыр. Университеттің ғалымдары биокомпозиттердің жаңа түрлерін жасау және олардың эластомерлік композицияларға әсерін зерттеу бағытында кешенді жобаларды жүзеге асыруда. Бұл зерттеулердің басты мақсаты – жаңартылатын табиғи шикізат негізінде функционалды технологиялық қоспаларды әзірлеу және оларды резинометаллических формалық бұйымдар өндірісінде қолдану. Мұндай бұйымдар радиалды, осьтік, бұралу және кардандық тербелістерді сөндіру немесе оқшаулау үшін қажет.

Жобаның ғылыми негізі күнбағыс қауызын термиялық пиролиз әдісімен өңдеу арқылы жаңа функционалды технологиялық қоспаларды алу болып табылады. Күнбағыс қауызы – ауыл шаруашылығы өндірісінен шығатын қалдық, құрамында жоғары мөлшерде целлюлоза мен лигнин бар, яғни олар биоуголь немесе көміртекті материал ретінде пайдалануға мүмкіндік береді. ҚазҰУ ғалымдары бұл қалдықты тек экологиялық тұрғыдан қауіпсіз өнімге айналдыру ғана емес, сонымен қатар эластомерлік композицияларда ерекше қасиеттер беретін функционалды компонентке айналдыру жолдарын зерттейді.

Ғылыми зерттеу барысында бірнеше мақсаттар белгіленген. Біріншіден, күнбағыс қауызын термиялық өңдеудің оңтайлы температуралық-уақыттық параметрлерін анықтау. Екіншіден, алынған функционалды қоспалардың морфологиялық, құрылымдық және физика-химиялық қасиеттерін зерттеу. Үшіншіден, қоспалардың эластомерлік матрица мен басқа ингредиенттермен өзара әрекеттесу механизмдерін түсіну. Төртіншіден, резиналық композициялардың реологиялық, кинетикалық, физико-механикалық және эксплуатациялық сипаттамаларына қоспалардың әсерін анықтау. Бесіншіден, алынған материалдардың механикалық қасиеттерін модельдеу және зертханалық сынақтар арқылы тексеру. Алтыншыдан, жаңадан алынған қоспаларды өнеркәсіптік шарттарда сынау және практикалық қолдануға дайындау.

Бұл зерттеулердің өзектілігі бірнеше факторға байланысты. Біріншіден, қазіргі резеңке өнеркәсібі үшін қолданылатын шикізат көбіне қымбат және шетелдік жеткізушілерге тәуелді. Екіншіден, ауыл шаруашылығы қалдықтарын тиімді пайдалану экологиялық мәселелерді шешуге мүмкіндік береді. Үшіншіден, функционалды технологиялық қоспалар эластомерлік композициялардың қасиеттерін жақсартуға және олардың қызмет мерзімін ұзартуға септігін тигізеді. ҚазҰУ ғалымдарының жүргізген зерттеулерінен алынған деректер көрсеткендей, карбонизденген күнбағыс қауызы құрамында көміртек пен оттектен басқа, S және Zn сияқты элементтер бар, бұл қоспалардың эластомерлік композициядағы реологиялық және кинетикалық қасиеттерін жақсартуға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, табиғи материалдардың құрамындағы лигнин мен целлюлоза резеңке матрицасына жақсы адгезиялық байланыс қалыптастырады, яғни қоспалар тек толтырғыш ретінде ғана емес, сонымен қатар функционалды технологиялық компонент ретінде әрекет етеді.

Бұл зерттеулер бірнеше маңызды ғылыми жаңалықтарды қамтамасыз етеді. Біріншіден, термохимиялық өңдеу арқылы күнбағыс қауызынан функционалды технологиялық қоспаларды алу әдісі әзірленеді. Екіншіден, қоспалардың морфологиялық, физика-химиялық және құрылымдық қасиеттерінің өзгеру заңдылықтары анықталады. Үшіншіден, жаңа қоспалардың резеңке матрицасындағы межфазалық және межагрегаттық өзара әрекеттесу механизмдері зерттеледі. Бұл нәтижелер резиналық композицияларды жобалау кезінде олардың беріктілігін, төзімділігін және функционалды қасиеттерін арттыруға мүмкіндік береді.

Практикалық жағынан алғанда, жобаның нәтижелері өнеркәсіптік өндірісте қолдануға дайын жаңа технологиялық шешімдер береді. Жоба шеңберінде алынған қоспаларды қолдану арқылы резинометаллических формалық бұйымдарды өндіру тиімділігі артады, олардың беріктігі мен төзімділігі жақсарады, сонымен қатар экологиялық тұрғыдан таза өнім алу мүмкіндігі қамтамасыз етіледі. Бұл әсіресе Қазақстандағы резеңке өнеркәсібі үшін маңызды, өйткені ол шетелдік шикізатқа тәуелділікті азайтуға көмектеседі.

Ғылыми эксперименттерде заманауи құрал-жабдықтар мен әдістер қолданылады. Функционалды технологиялық қоспалардың физика-химиялық қасиеттерін зерттеу үшін сканирлеуші электрондық микроскоп (SEM), флуоресценттік спектрометр (EDX), FTIR микроскоп, дифференциалдық сканирлеуші калориметр (DSC) және басқа да аппараттар пайдаланылады. Эластомерлік композициялардың реологиялық қасиеттерін зерттеу үшін виброреометр және вискозиметр қолданылады, ал механикалық қасиеттерін анықтау үшін созылу және қаттылық сынақтары жүргізіледі. Сонымен қатар, компьютерлік модельдеу ANSYS бағдарламалық кешені арқылы жүзеге асырылады. Бұл әдіс эксперименттік нәтижелерді алдын ала бағалауға, процестердің оңтайлы параметрлерін анықтауға және өндірістік сынақтарды тиімді жүргізуге мүмкіндік береді. Жобаның практикалық кезеңінде резинометаллических формалық бұйымдардың прототиптері дайындалады, олар зертханалық және өнеркәсіптік сынақтардан өтеді.

Ғалымдар зерттеулерді жүргізу барысында ғылыми этика қағидаларын қатаң сақтайды. Барлық эксперименттік деректер дәл және ашық жарияланады, плагиат және деректерді бұрмалау жол берілмейді. Сонымен қатар, жобаның нәтижелері ғылыми мақалалар мен патенттік өтініштерде жарияланады, бұл ғылыми қоғамдастыққа қосқан үлестің маңызды көрсеткіші болып табылады.

ҚазҰУ ғалымдарының бұл жобасы тек ғылыми жаңалықтарды ашумен шектелмей, өнеркәсіптік қолдану перспективаларына бағытталған. Күнбағыс қауызынан алынған жаңа функционалды технологиялық қоспалар резинометаллических формалық бұйымдардың сапасын жақсартуға, олардың қызмет мерзімін ұзартып, өндірістік шығындарды азайтуға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, бұл зерттеулер экологиялық тұрғыдан тұрақты өндіріс концепциясын дамытуды қамтамасыз етеді, ауыл шаруашылығы қалдықтарын тиімді пайдалану арқылы қоршаған ортаға зиянды әсерді азайтады.

Жобаның нәтижелері болашақта магистрлер, бакалаврлар және PhD докторларын даярлау барысында қолданылып, жаңа зерттеу бағыттарының қалыптасуына ықпал етеді. Бұл Қазақстанда полимерлер, композициялық материалдар және материалтану салаларында ғылыми әлеуетті арттыруға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, жобаның өндірістік имплементациясы елдегі резеңке өнеркәсібінің бәсекеге қабілеттілігін арттыруға, шетелдік шикізатқа тәуелділікті төмендетуге және инновациялық өнімдерді өндіруде жаңа стандарттар қалыптастыруға септігін тигізеді.

ҚазҰУ ғалымдарының жүргізіп жатқан зерттеулері экологиялық таза, экономикалық тиімді және технологиялық прогрессивті шешімдерді ұсына отырып, Қазақстандағы және халықаралық деңгейде эластомерлік композициялардың өндірісінде жаңа дәуірдің басталуына жол ашуда.