Magnesiumcomposieten Onderzoekers zetten eierschalen om in magnesiumversterkingen

Eierschaalpoeder zou de conventionele calciumadditieven bij de productie van magnesiumlegeringen kunnen vervangen. Onderzoekers maakten gebruik van wrijvingsroerextrusie om het afvalmateriaal om te zetten in versterkende verbindingen, waardoor sterker en harder magnesium werd geproduceerd in een proof-of-concept-onderzoek dat de afhankelijkheid van energie-intensieve mineraalverwerking zou kunnen verminderen.

Onderzoekers hebben een techniek gedemonstreerd waarbij eierschaalpoeder wordt gebruikt voor de productie van hoogwaardige magnesiumlegeringen, die een breed scala aan toepassingen kennen in de automobielindustrie, de lucht- en ruimtevaart en de biomedische sector. De eierschalen worden ingezet als een goedkoop en milieuvriendelijk alternatief voor conventionele calciumhoudende materialen, die via een energie-intensief proces uit erts worden vervaardigd.

Calciummaterialen, zoals calciumcarbonaat en calciumoxide, worden in een breed scala aan toepassingen gebruikt. “Calciumcarbonaat en calciumoxide zijn bijvoorbeeld belangrijke materialen voor de productie van metaallegeringen”, zegt Bharat Gwalani, corresponderend auteur van een artikel over dit onderzoek en universitair docent materiaalkunde en -techniek aan de North Carolina State University. “Maar de productie van die calciumhoudende materialen is gebaseerd op een complex proces waarbij gebruik wordt gemaakt van gedolven grondstoffen. We hebben een techniek gedemonstreerd waarmee we een stap kunnen overslaan. In plaats van erts te verwerken tot calciumhoudende materialen en die materialen vervolgens te gebruiken voor de productie van metalen of metaallegeringen, hebben we aangetoond dat je een hoogwaardige metaallegering kunt produceren met behulp van eierschalen.”

Eierschalen bestaan voor 95% uit calciumcarbonaat, en het proces dat de onderzoekers gebruiken om de eierschaal in legeringen te verwerken, zet deze om in calciumoxide en ontluikend calcium.

“Dit biedt veel voordelen,” zegt Gwalani. “Er zijn minder stappen nodig. Je hebt een betrouwbare, duurzame toeleveringsketen. Eierschalen zijn goedkoop. En je verbruikt veel minder energie, omdat je niet het proces hoeft te doorlopen waarbij calciumproducten uit erts worden vervaardigd.”

Voor dit proof-of-concept-onderzoek hebben de onderzoekers eierschalen gebruikt om sterkere, hardere magnesiumlegeringen te produceren, die dankzij hun combinatie van sterkte en gewicht geschikt zijn voor toepassingen zoals elektronica en ruimtevaartapparatuur.

“Er wordt calcium aan magnesium toegevoegd om de mechanische eigenschappen ervan te verbeteren,” zegt Gwalani. “We wilden onderzoeken of we biogeen afval — eierschalen — konden gebruiken om de benodigde calciummaterialen tijdens het productieproces te produceren.”

Voor dit proces beginnen de onderzoekers met het boren van een reeks gelijkmatig verdeelde gaten in een cilindrisch blok magnesium. Die gaten worden vervolgens gevuld met fijngemalen eierschalen. Dit blok wordt daarna in een stalen cilinder geplaatst. Vervolgens wordt een stalen doorn met een gat in het midden in de cilinder neergelaten. De doorn fungeert in feite als een stamper in een vijzel: hij drukt het magnesiumblok naar beneden en draait met een snelheid van 300 omwentelingen per minuut.

Dit proces wordt ‘friction stir extrusion’ genoemd. Terwijl de doorn naar beneden drukt en ronddraait, gebeuren er verschillende dingen vrijwel tegelijkertijd. Het eierschaalpoeder wordt door het omringende magnesium gemengd, waardoor wrijving ontstaat tussen de deeltjes van de eierschaal en het metaal. Door deze wrijving wordt het calciumcarbonaat omgezet in calciumoxide en calcium — en ontstaat de zeer sterke legering Mg₂Ca. Ten slotte drukt de neerwaartse druk van de doorn de magnesiumlegering door het gat naar buiten, waardoor een geëxtrudeerde staaf van het eindproduct ontstaat.

“Uit dit onderzoek blijkt dat je hoogwaardige, kwalitatief hoogstaande magnesiumlegeringen kunt produceren met behulp van een goedkoop, duurzaam, biogeen afvalmateriaal,” zegt Gwalani. “Dit is een schaalbare, energiezuinige en milieuvriendelijke manier om op magnesium gebaseerde composietmaterialen te produceren met behulp van biogene afvalmaterialen.”

“En we hebben al aangetoond dat deze aanpak ook buiten magnesium en eierschalen toepasbaar is,” zegt Gwalani. “Eerder dit jaar hebben we aangetoond dat je dezelfde aanpak – wrijvingsroerextrusie – kunt gebruiken om magnetische composieten te produceren door magnetisch samarium-kobalt (SmCo5)-poeder in aluminiumafval te vermalen.”

Oorspronkelijk artikel: Circular Manufacturing of Mg–Eggshell Composites: Transforming Biogenic Waste into Functional Reinforcements; Journal of Magnesium and Alloys; DOI:10.1016/j.jma.2026.102290