Kompozyty magnezowe Naukowcy przekształcają skorupki jaj w wzmocnienia magnezowe

Sproszkowane skorupki jaj mogą zastąpić tradycyjne dodatki wapnia w produkcji stopów magnezu. W ramach badania weryfikującego koncepcję naukowcy wykorzystali technologię wytłaczania z mieszaniem ciernym do przekształcenia tego odpadu w związki wzmacniające, uzyskując w ten sposób mocniejszy i twardszy magnez. Rozwiązanie to może zmniejszyć zależność od energochłonnego przetwarzania minerałów.

Naukowcy zaprezentowali technikę wykorzystującą sproszkowane skorupki jaj do produkcji wysokiej jakości stopów magnezu, które mają szerokie zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym, lotniczym i biomedycznym. Skorupki jaj stanowią niedrogą i przyjazną dla środowiska alternatywę dla tradycyjnych materiałów wapniowych, które są wytwarzane z rudy w procesie wymagającym dużego zużycia energii.

Materiały wapniowe, takie jak węglan wapnia i tlenek wapnia, znajdują szerokie zastosowanie. „Na przykład węglan wapnia i tlenek wapnia są ważnymi materiałami do produkcji stopów metali” – mówi Bharat Gwalani, autor korespondencyjny artykułu poświęconego tym badaniom oraz adiunkt na wydziale materiałoznawstwa i inżynierii materiałowej Uniwersytetu Stanowego Karoliny Północnej. „Jednak produkcja tych materiałów wapniowych opiera się na złożonym procesie wykorzystującym surowce wydobywane z kopalń. Wykazaliśmy, że istnieje technika pozwalająca pominąć jeden etap. Zamiast przetwarzać rudę w celu uzyskania materiałów wapniowych, a następnie wykorzystywać je do produkcji metali lub stopów metali, pokazaliśmy, że można wytworzyć wysokiej jakości stop metalu przy użyciu skorupek jaj”.

Skorupki jajek składają się w 95% z węglanu wapnia, a proces stosowany przez naukowców w celu włączenia skorupek do stopów przekształca je w tlenek wapnia i wapń w stanie zarodkowym.

„Ma to wiele zalet” – mówi Gwalani. „Proces składa się z mniejszej liczby etapów. Dysponuje się niezawodnym, zrównoważonym łańcuchem dostaw. Skorupki jaj są niedrogie. Zużywa się też znacznie mniej energii, ponieważ nie trzeba przechodzić przez proces wytwarzania produktów wapniowych z rudy”.

W ramach tych badań weryfikujących wykonalność naukowcy wykorzystali skorupki jaj do wytworzenia mocniejszych i twardszych stopów magnezu, które dzięki połączeniu wytrzymałości i lekkości znajdują zastosowanie m.in. w elektronice i sprzęcie lotniczym.

„Wapń dodaje się do magnezu w celu poprawy jego właściwości mechanicznych” – mówi Gwalani. „Chcieliśmy sprawdzić, czy uda nam się wykorzystać odpady biogeniczne – skorupki jaj – do wytworzenia niezbędnych materiałów wapniowych w procesie produkcyjnym”.

W ramach tego procesu naukowcy rozpoczynają od wywiercenia szeregu równomiernie rozmieszczonych otworów w cylindrycznym bloku magnezu. Otwory te wypełnia się następnie drobno zmielonymi skorupkami jaj. Blok ten umieszcza się następnie w stalowym cylindrze. Następnie do cylindra wprowadza się stalowy trzpień z otworem pośrodku. Trzpień ten pełni zasadniczo rolę tłuczka w moździerzu, dociskając blok magnezu i obracając się z prędkością 300 obrotów na minutę.

Proces ten nazywa się wytłaczaniem z mieszaniem przez tarcie. Gdy trzpień dociska i obraca się, mniej więcej w tym samym czasie zachodzi kilka zjawisk. Proszek ze skorupek jaj jest mieszany z otaczającym go magnezem, co powoduje tarcie między cząstkami skorupek a metalem. Tarcie to przekształca węglan wapnia w tlenek wapnia i wapń — oraz powoduje powstanie stopu Mg₂Ca o wysokiej wytrzymałości. Na koniec nacisk trzpienia skierowany w dół wypycha stop magnezu przez otwór, tworząc wytłoczony pręt gotowego produktu.

„Badania te pokazują, że można wytwarzać wysokowartościowe, wysokiej jakości stopy magnezu przy użyciu niedrogiego, zrównoważonego materiału odpadowego pochodzenia biogenicznego” – mówi Gwalani. „Jest to skalowalny, energooszczędny i przyjazny dla środowiska sposób produkcji kompozytów na bazie magnezu z wykorzystaniem odpadów biogenicznych”.

„Wykazaliśmy już, że podejście to ma zastosowania wykraczające poza magnez i skorupki jaj” – mówi Gwalani. „Na początku tego roku udowodniliśmy, że tę samą metodę – wytłaczanie z mieszaniem ciernym – można wykorzystać do produkcji kompozytów magnetycznych poprzez zmielenie proszku magnetycznego samaru i kobaltu (SmCo5) z dodatkiem złomu aluminiowego”.

Artykuł oryginalny: Produkcja kompozytów magnezowo-skorupowych w obiegu zamkniętym: przekształcanie odpadów biogenicznych w funkcjonalne materiały wzmacniające; Journal of Magnesium and Alloys; DOI:10.1016/j.jma.2026.102290