贻贝壳在牛仔布喷砂中的创新应用：一种可持续且高性能的二氧化硅替代品

为解决牛仔服喷砂工艺中二氧化硅砂的毒性问题及贻贝壳废弃物的处置难题，本研究探讨了使用粉碎贻贝壳作为环保型磨料。通过实验表征其物理性能并与石榴石砂进行性能对比测试，结果表明在相同喷砂条件下，贻贝壳能达到相似的褪色效果，尤其小粒径(108–180 μm)表现最佳。该研究为贻贝壳的高值化利用和牛仔行业的可持续生产提供了新方案。

　　

在时尚界，牛仔服饰的“做旧”风格一直备受消费者青睐。这种独特的褪色效果传统上通过喷砂工艺实现，即使用高速喷射的磨料颗粒冲击牛仔布表面，刮擦掉靛蓝染色的纱线表层，露出内部的白色芯纱，从而形成自然的磨损外观。然而，这项工艺背后隐藏着严重的健康和环境问题。历史上，由于工作条件恶劣且缺乏防护，工人们长期暴露于含结晶二氧化硅(SiO₂)的磨料粉尘中，导致了矽肺等呼吸系统疾病的爆发，致使该工艺在全球范围内被多数品牌弃用。

作为替代，行业转向了氧化/化学处理和激光热处理等技术，但这些方法往往毒性更强，且产生的纹理与喷砂效果不同。其中，高锰酸钾(PP)喷涂法虽广泛应用，但其强氧化性不仅会降低牛仔布的性能和耐用性，更对操作者的眼睛、皮肤和呼吸道具有腐蚀性，且其废弃物若进入地下水和土壤，还会污染饮用水源并在食物链中生物累积。其他如干冰爆破、臭氧处理或激光雕刻等方法，则存在成本高昂、储存困难或需要后续酶处理等问题。

另一方面，全球美味贻贝的产量日益增长，随之产生了大量贝壳废弃物。这些坚硬的废弃物大多最终被填埋，由于其硬度和锐利边缘，无法用作家禽饲料补充剂。联合国可持续发展目标(SDGs)提高了人们对废弃物深思熟虑管理和促进商品循环生命周期的认识。因此，为贻贝壳寻找一种高价值的应用途径，不仅符合循环经济原则，也能解决实际的环境问题。

在此背景下，来自西班牙巴斯克大学（UPV/EHU）机械工程系的J.L. Osa、I. Ruiz-de-Apodaca、O. Martinez、A. Mendoza、B. Fernandez-Gauna和C. Pe?a-Rodriguez等研究人员开展了一项创新研究。他们提出将贻贝壳这种坚硬且易碎的废弃物作为一种磨料，替代牛仔喷砂中不健康的二氧化硅砂。研究成果发表在《Journal of Cleaner Production》上，为两个看似不相关的行业——海产品加工业和纺织业——搭建了一座可持续发展的桥梁。

为了验证这一设想，研究人员采用了几种关键的技术方法。首先，他们对地中海贻贝（Mytilus galloprovincialis）的贝壳进行了严格的预处理，包括机械清洗去除有机残留物，以及135°C下的热处理以达到动物副产品法规(EC) No 1069/2009的灭菌要求。随后，使用切割磨粉碎贝壳，并通过振动筛分器将其分级为不同的粒度（如106–180 μm、180–300 μm等）。研究的核心是实验室规模的喷砂性能测试，在一个改装的安全喷砂柜中，使用压缩空气（6 bar）将磨料（贻贝壳粉与工业级石榴石砂）喷射到固定的牛仔布样品上。喷砂效果通过多种手段进行表征：使用X-Rite 962分光光度计测量色差和反射率，并计算K/S_sum（颜色深度）和CF%（颜色褪色百分比）值；利用光学显微镜和共聚焦显微镜（Leica DCM3D）观察织物表面的形态变化和损伤情况；采用双盘法测量磨料颗粒的速度；并通过筛分使用后的磨料来评估其friability（易碎性）。最后，研究还进行了从“摇篮到大门”(gate-to-gate)的生命周期评估(LCA)，使用OpenLCA软件和EcoInvent数据库，比较了使用石榴石和贻贝壳喷砂一条牛仔裤对环境的影响。

2.2. 磨料砂

研究人员对磨料的物理和机械性能进行了详细表征。作为对比，他们选择了符合国际劳工安全法规（游离二氧化硅含量<1%）的石榴石砂（主要成分为铁铝榴石Fe₃Al₂(SiO₄)₃）和加工后的贻贝壳（主要成分为碳酸钙CaCO₃）。结果表明，作为晶体矿物，石榴石的维氏硬度（12.59 GPa）远高于贻贝壳的珍珠层（2.93 GPa）和方解石（1.95 GPa），其密度（3.52 g/mL）也是贻贝壳（2.60 g/mL）的1.35倍。这意味着石榴石颗粒的边缘更能承受多次喷砂循环，且其冲击动能比贝壳颗粒高25%。在易碎性方面，石榴石更易破碎（90% by weight），而贝壳则表现出更高的韧性（57% by weight）。理想的磨料应兼具高硬度、高密度和高韧性。由于目标材料牛仔布是柔软的，研究表明这两种磨料都可能适用。

2.3. 实验工作

通过组织围绕喷砂过程的实验，研究人员获得了关键参数。首先，颗粒速度测量显示，贝壳颗粒的速度略高于石榴石颗粒，这与其较低密度有关，并且 larger grit sizes（更大颗粒尺寸）会导致更低的速度。其次，磨料质量流量测量表明，流量随颗粒尺寸增大而增加，且石榴石因密度大而具有稍高的质量流量。动能计算表明，尽管 smaller grits（更小颗粒）速度更快，但颗粒尺寸（或重量）对颗粒能量的影响显著。最终分析表明， smaller grits 虽然单个颗粒能量低，但其更高的冲击频率使得其总流功率（stream power）超过了 larger grits。尽管贝壳更轻、动能更小，但其更高的冲击速率使其在各种尺寸范围内的流功率与石榴石颗粒相当。

3.2. 喷砂对牛仔布的影响

通过光学显微镜和分光光度计分析喷砂对牛仔布面料的影响。初步测试使用180–300 μm的石榴石砂。光学显微镜图像显示，表面的纱线或棉纤维被撕裂，使染色的经纱白色芯和暴露的白色纬纱可见。观察还发现了初始的“返染”（backstaining）效应，即被刮擦下来的靛蓝染料纤维暂时使表面颜色变深，该效应随着喷砂的进行而减弱。共聚焦显微镜显示，未处理织物的高度分布集中，而喷砂样品表面撕裂纤维形成的毡状结构使高度分布变得均匀。分光光度测量显示，反射率随喷砂时间增加而从6%上升到24%，K/S_sum值从原始样品的296.1迅速下降，并在25秒后稳定在80左右，表明颜色深度显著变浅。CIE L-a-b* 色度值测量表明，L（亮度）值从25.1稳步增加至50，样品变得更浅；a值变为负值（约-5），呈现轻微的绿色调；b*值变得更负（ between -8 and -12），呈现出迷人的浅蓝色调。这与激光和PP技术会在褪色区域留下黄色痕迹形成对比。

3.3. 喷砂性能

喷砂测试结果表明，石榴石和粉碎贻贝壳在使牛仔布褪色方面表现出相似的行为，追踪的数据点非常接近。在测试的三种颗粒尺寸中，最小的（108–180 μm）效率最高。使用 larger grits 进行喷砂时，牛仔布的褪色效率较低。研究还观察到，180–300 μm 的颗粒尺寸初始的“返染”效应最为明显，而 smaller grits 在5秒后已度过该阶段，larger grits 则显示出更平滑的初始曲线而没有明显的返染。所有样品随后都经历了一个快速的褪色阶段，其斜率在 K/S_sum ≈ 150 或 L* = 40 左右略有下降。最大褪色效果在 K/S_sum ≈ 80 或 L* = 45 时达到。

3.4. 易碎性

喷砂测试后对收集的磨料进行筛分和称重，以此评估磨料的易碎性。结果表明，石榴石的易碎率几乎是贝壳的两倍。 larger grits 往往比 smaller grits 更易碎。这些结果与Osa等人根据ANSI B74.8-1987标准进行的易碎性评估结果一致。

3.5. 生命周期评估

生命周期评估(LCA)结果表明，在所有的环境影响类别中，石榴石的影响值最高。喷砂条件对两种材料是相同的，因此差异主要源于磨料的制备过程：贻贝壳苛刻的灭菌热处理是造成差异的主要原因。事实上，贝壳的电力消耗是所有类别中主要的影响因素，占总影响的80%以上。而运输则是惩罚石榴石的主要因素，占总影响的40%–56%。值得注意的是，在人类健康类别中，贻贝壳的环境可持续性比石榴石高46%。研究表明，磨料来源地的 proximity（邻近性）是选择磨料的主要考虑因素之一。若两种材料都能从相近的距离获取，石榴石在大多数类别中的环境影响会更低，但该分析未考虑两种材料的上游过程（石榴石开采和贻贝养殖）。

4. 结论

本研究成功提出并验证了使用粉碎贻贝壳作为牛仔喷砂磨料的可行性。初步性能结果令人鼓舞，与传统的石榴石磨料相比，获得了相似程度的褪色效果。贝壳较低的密度并非决定性因素，冲击到目标表面的磨料数量更为关键。因此，一个难以管理的罐头工业副产品转变为了一种高价值的技术性磨料。该研究还填补了牛仔喷砂工艺本身的研究空白，加深了对颗粒尺寸、密度和喷砂时间等工艺参数如何影响该过程的理解。生命周期评估则凸显了磨料资源 proximity（邻近性）对环境影响的重要性。

研究人员在讨论中指出，喷砂造成的机械损伤除了降低拉伸强度和刚度外，还能改善织物的手感（handle）和舒适感，摩擦系数也可能成为一个可衡量的特征。他们强调，鲁莽使用不合适的二氧化硅进行牛仔喷砂玷污了最清洁、最逼真的牛仔布褪色工艺。而“解药”比“疾病”更糟糕：主要的替代品PP喷涂法正在没有适当废物管理或个人防护设备的情况下使用，这正在破坏河流和湖泊环境，并损害成千上万纺织工人未受保护的肺部。研究表明，主要问题在于劳工法规宽松国家的纺织行业防护措施不足。他们希望，这项工作不仅能促进循环经济和确保废弃物的负责任管理，还能鼓励纺织行业重新采用喷砂作为一种安全、环保且干燥的褪色工艺。未来研究应在于工业规模上验证贝壳磨料的可行性，并探索其他轻质磨料（如核桃壳或聚酯）的应用潜力。