《Results in Materials》：Industrial-Scale Vortex Spinning of 100% Recycled Polyester/Cotton Yarns: Advancing Circular Textile Manufacturing
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日益增长的环境担忧、不断增加的纺织废弃物数量、循环经济倡议、监管压力以及对可持续服装需求的上升，加速了再生纤维在纺织行业中的采用。本研究首次开发了一种完全可持续且具有成本效益的聚酯/棉（PC）纱线，该纱线完全由再生纤维即再生聚酯（r-PET）和再生棉（r-co
日益增长的环境担忧、不断增加的纺织废弃物数量、循环经济倡议、监管压力以及对可持续服装需求的上升，加速了再生纤维在纺织行业中的采用。本研究首次开发了一种完全可持续且具有成本效益的聚酯/棉（PC）纱线，该纱线完全由再生纤维即再生聚酯（r-PET）和再生棉（r-cotton）制成，同时首次展示了使用气流涡流纺纱系统对含r-cotton纱线的工业规模生产。涡流纺纱依赖足够长的纤维来形成包缠纱结构。由于r-cotton主要由短且均匀度较差的纤维组成，因此引入较长的r-PET纤维以确保稳定的涡流纺纱。研究人员还制造了具有相同纱支和混纺比的等效环锭纺和转杯纺纱线，以进行比较性能分析。通过优化的工艺控制，成功制造了含高达50% r-cotton的涡流纺纱线，满足工业针织的强度要求。分层因子回归分析表明，纺纱系统和再生棉含量对纱线质量有显著影响，并证明随着再生棉含量的增加，涡流纺、环锭纺和转杯纺系统之间的质量变化速率存在差异。此外，用再生纤维完全替代原生纤维大幅降低了PC纱线的制造成本。总体而言，研究结果强调了再生纤维在减少对原生原材料依赖、降低制造成本以及促进纺织生产更大循环性和可持续性方面的潜力。
研究背景方面，纺织行业对全球经济增长和就业贡献显著，但20世纪90年代快时尚的兴起加速了廉价、趋势驱动型服装的大规模生产，导致原生纤维、水和能源消耗增加，同时通过服装的快速处置加剧了环境污染和纺织废弃物问题。联合国2015年确立了17个可持续发展目标（SDGs），其中SDG 6针对减少水消耗和废水排放，SDG 12促进废物最小化和负责任生产，SDG 13倡导减少与原生纤维生产相关的排放。棉花在全球产量上仅次于聚酯，尽管是天然可生物降解纤维，但其种植需要密集灌溉和大量农用化学品，后续纺织制造包括预处理、染色和整理也需要大量化学投入。再生棉来源于消费前纺织废弃物，已成为减少对原生资源依赖的可行替代方案。再生聚酯（PET）来源于消费后塑料瓶和工业废料，保留了原生PET的耐久性、抗皱性和易护理性等理想性能，同时可大幅减少环境影响。然而聚酯固有的高静电和低回潮率可导致热量和汗液滞留，因此常与棉混纺以发挥互补性能。聚酯/棉混纺纱可通过多种纺纱系统生产。为提升传统环锭纺的生产率，商业纱线制造日益采用转杯纺和喷气纺技术。自20世纪80年代以来，喷气喷嘴设计的持续进步最终促成了Murata涡流纺纱（MVS）的开发，该技术以400-500 m/min的极高生产速度著称，分别约为环锭纺和转杯纺的20倍和2.5倍。MVS通过将大量表面纤维缠绕在中心芯周围，生产更光滑、毛羽更少、抗起球和耐磨性更强的纱线。然而由于芯纤维主要沿纱线轴向排列而无捻度，其对纱线强度的贡献较小，限制了MVS主要适用于精梳棉、粘胶、Tencel和聚酯等高质量纤维。以往研究已调查了使用各种再生和原生纤维组合通过环锭纺和转杯纺生产的PC纱线，但本研究首次探索完全由r-PET和r-cotton组成的完全可持续PC纱线的生产。尽管涡流纺传统上需要足够长的纤维，本研究首次尝试在涡流纺纱系统中加工r-cotton。为进行比较评估，还制造了具有相同纱支和混纺组成的环锭纺和转杯纺纱线。对所得纱线的结构和力学性能进行了系统表征，特别关注含r-cotton的涡流纺纱线的性能。
研究人员开展的研究方面，红色r-cotton纤维（长度22 mm；均匀度指数66%；短纤维38%；细度4.9 Mic；强度18 g/tex；伸长率6.6%）通过粉碎消费前针织服装裁剪废料获得，来源于孟加拉国Gazipur的Mosharraf Spinning Mills Ltd.回收工厂，全部实验工作在该厂进行。r-PET纤维（长度38 mm；细度1.2 den；强度6.6 g/den；伸长率21%）由印度尼西亚Indorama制造，通过当地供应商采购。在涡流纺中，表面纤维围绕近乎平行的芯纤维加捻。由于r-cotton含有较高比例的短纤维，而r-PET纤维较长、更均匀且更强，因此在混纺制备中优先考虑r-PET。最初将20% r-cotton与r-PET混纺，评估所得纱线强度是否达到针织最低要求（品质指标CSP 2200）。一旦达到所需强度，逐步增加混纺中r-cotton的比例。因此生产了20 Ne（29.5 tex）涡流纱线，r-PET/r-cotton混纺比为100/0、80/20、70/30、60/40、50/50和40/60。生产100% r-PET纱线作为参照。还制备了具有相同纱支和混纺比的环锭纺和转杯纺纱线用于比较评估。聚酯/棉混纺的涡流纺通常在400-420 m/min的交付速度和约0.5 MPa的喷嘴压力下进行。然而再生棉中高比例的短纤维和类棉结纤维团需要优化r-PET/r-cotton混纺的纺纱参数。通过迭代工艺优化，发现350 m/min的交付速度配合0.55 MPa的喷嘴压力可提供稳定纱线形成和有效纤维加捻的最佳条件。当r-cotton含量超过30%时，类棉结纤维团导致涡流喷嘴尖端堵塞，破坏纤维流动并在纱线中产生过多粗细节。为确保这些条件下的稳定纺纱，交付速度进一步降至320 m/min。废物调整方面，吹风、梳理和纺纱过程中产生的废物主要由较短的r-cotton纤维组成，通过70%硫酸选择性溶解按照ASTM D629-15收集和量化。吹风和梳理阶段集中收集的废物在所有三种纺纱系统中相同，包括35%的r-cotton和4.5%的r-PET。纺纱阶段，环锭纺的总废物主要为r-cotton，为5.4%（r-cotton 5% + r-PET 0.4%），主要以风箱花废物形式收集；转杯纺为12.8%（r-cotton 12% + r-PET 0.8%），主要在分梳辊处产生；涡流纺为10.6%（r-cotton 10% + r-PET 0.6%），主要与涡流喷嘴相关。量化这些加工损失以确定补偿加工过程中材料损失所需的额外r-cotton和r-PET量。相应地调整混合阶段的混纺组成以考虑这些损失。通过选择性溶解测试确认所得纱线的混纺比非常接近目标组成。纱线质量特征包括质量变异（CVm%）、毛羽和疵点使用Uster? Tester 6测定。纱线条干和疵点按照ASTM D1425/D1425M-14(2020)评估，毛羽按照ASTM D5647-11(2021)和ISO 16549:2004使用仪器专有光学测量系统测量。纱线拉伸性能使用Tenso-Lab 4拉伸强度测试仪按照EN ISO 2062:2009表征。纱线表面形态通过扫描电子显微镜（SEM）使用JEOL JSM-6460LV显微镜研究。所有测量前，纱线试样在27 ± 2 °C和65 ± 2%相对湿度的标准热带大气条件下调湿，符合ASTM D1776/D1776M-15规定。
研究结果表明，在表面形态和毛羽方面，本研究的混纺纱中白色r-PET占纤维混合物的80-40%，红色r-cotton占剩余的20-60%。混合这些不同颜色的纤维产生偏红色雪花纱，随着r-cotton比例增加色调逐渐变深。80/20混纺呈现较浅的红色外观，而50/50混纺由于r-cotton含量较高呈现更深的红色色调。SEM显微照片显示涡流、环锭和转杯纱在表面特征和毛羽方面存在明显差异。毛羽定义为从纱体突出的纤维端和圈的总长度，使用毛羽指数量化。在三种纺纱系统中，环锭纺纱线表现出最高的毛羽。在环锭纺中，牵伸后的纤维须条在离开前罗拉钳口后立即形成加捻三角区。位于加捻三角区边缘的纤维经历不均匀张力，降低了其与纱线结构的整合，增加了突出纤维端的数量。转杯纱的毛羽低于环锭纱。在转杯纺中，纤维沉积在转杯槽中并逐渐整合到纱尾中，而缠绕纤维束缚松散纤维端，形成更紧凑的纱线结构。因此转杯纺纱线的毛羽通常比环锭纺 counterparts低约20-30%。涡流纱观察到最低的毛羽，其中平行的芯纤维被表面缠绕纤维紧密束缚。这种缠绕纤维配置有效抑制突出纤维端，产生更光滑和更紧凑的纱线表面。然而无论纺纱系统如何，毛羽随r-cotton含量增加而增加。这一趋势主要归因于机械回收过程中产生的短、受损和均匀度较差的再生棉纤维比例较大。这些纤维表现出较低的纤维间 cohesion，较难有效整合到纱体中，更容易从纱线表面突出，从而增加纱线毛羽。
在纱线条干不匀和疵点评估方面，纱线不匀率表示沿纱线长度的质量变异，通常通过质量变异系数（CVm%）评估。此外细节、粗节和棉结是与纱线不匀相关的重要疵点。这些参数显著影响纱线加工效率、织物制造性能以及最终织物的功能和美学性能。环锭纱表现出显著更高的不匀率和疵点，且随r-cotton含量增加而显著增加。这可归因于r-cotton中存在的高比例短纤维、弯钩、弯曲纤维、较差的长度均匀度和棉结，这些在粗纱机和环锭细纱机施加的高牵伸过程中难以控制，增加了纤维滑移和不规则牵伸的可能性。此外，加捻前加捻三角区的形成可阻碍这些纤维的有效整合，特别是位于须条边缘附近的纤维。在气圈过程中，离心力可能进一步使锚固不足的短纤维和棉结偏离纱线轴心。其有限的嵌入长度和纤维间 cohesion导致较弱的锚固，从而增加毛羽、结构不匀和疵点。与环锭纱相比，涡流纱和转杯纱表现出显著更低的不匀率和疵点。在涡流纺中，高速气流涡流促进纤维分离并围绕相对稳定的芯进行缠绕，而缠绕结构可容纳短纤维和棉结，抑制局部质量变异。在转杯纺中，纤维被单独开松并沉积在转杯槽中，称为后弯效应。后弯效应在纤维连续输出和加捻之前平均短期质量变异。这种纤维积累和重新分布有助于形成更均匀的纱线结构，降低不匀率和疵点。环锭纱的棉结含量显著高于涡流和转杯纱尤为明显。值得注意的是，本研究中使用的r-cotton纤维含有725 neps/g（由AFIS测量），而原生棉通常含有约250 neps/g。尽管初始棉结含量高，涡流和转杯纱的棉结显著少于环锭纱。在涡流纺中，高牵伸系统和空气动力学纤维分离可能减少弱缠结纤维团和小棉结融入纱线结构。在转杯纺中，弱和松散的棉结可能被分梳辊部分开松或解缠，一些棉结和外来颗粒通过排杂系统随提取废物去除。此外，涡流和转杯纱含有更大比例的表面缠绕纤维，可将棉结包裹在纱体内。因此这些包裹的棉结在染色后显著不那么明显，比环锭纱提供额外的美学优势。
在纱线结构对强度的影响方面，纱线强度是纺织性能的关键决定因素，因为它直接影响下游加工效率、织物质量、耐久性和最终产品的使用寿命。在工业实践中，纱线强度通常用品质指标（CSP）表示，通过纱线英制棉支数（Ne）乘以其绞纱强度（磅）获得。涡流纱在所有r-cotton含量下表现出最高强度，主要因为较长的r-PET纤维（38 mm）形成相对良好排列的承载芯，而缠绕纤维增强径向压缩和纤维间 cohesion，从而减少纤维滑移。由于r-PET比r-cotton强得多，其优先排列使其能够承担更大比例的外加拉伸载荷。在环锭纺中，捻度分布在整个纤维须条上，改善纤维整合和迁移，形成紧密堆积的高拉伸强度纱线结构。然而在r-PET/r-cotton混纺中，高比例的短再生棉纤维和类棉结纤维团破坏了纤维整合和迁移，导致相对松散、毛羽较多的纱线结构，具有更大的不匀率和更多疵点。这些结构不规则产生局部弱区域，阻碍拉伸加载过程中的有效应力传递，从而降低纱线强度。尽管转杯纱表现出比环锭纱更低的CVm和更少的疵点，但其强度（CSP）较低。通常，这种强度降低归因于其更随机的纤维排列、较少平行的芯结构和更高比例的缠绕纤维。此外在r-PET/r-cotton混纺中，短再生棉纤维由于有限的纤维迁移和与纱线轴心的较低排列，对轴向载荷承担的贡献较小。因此拉伸加载过程中纤维间的应力传递变得效率较低，导致纱线强度降低。
在工艺优化的生产率影响方面，聚酯/棉涡流纺的常规交付速度约为400-420 m/min。在本研究中，机械回收棉的高短纤维和棉结含量需要优化涡流纺条件。在350 m/min配合0.55 MPa喷嘴压力下实现稳定纱线形成。然而对于r-cotton含量超过30%的情况，由于类棉结纤维团导致喷嘴尖端堵塞，交付速度进一步降至320 m/min。相应地，从常规400-420 m/min范围的降低在350 m/min时约为12.5-16.7%，在320 m/min时约为20.0-23.8%。尽管有这些降低，涡流纺仍保持比本研究中使用的环锭纺和转杯纺系统显著更高的交付速度，后者分别以86和17 m/min运行。因此涡流交付速度约为转杯纺的3.7-4.1倍和环锭纺的18.8-20.6倍。这些比较反映的是交付速度而非整体机器效率，因为在仅制备10个纱线样品期间未独立量化三种系统的断头、清洁中断和其他效率损失。尽管如此，结果表明尽管加工机械回收棉需要降低涡流纺的标称交付速度，但相对于所研究的环锭纺和转杯纺系统仍保持实质性的高速生产优势。
在纱线特性潜在应用分析方面，本研究生产的纱线 intended for 针织应用；因此采用相对较低的捻系数（TM ≈ 3.7）以生产柔软和吸湿的纱线。工业针织应用通常认为约2,200的最低CSP值是理想的，尽管实际要求可能因纱线组成、纺纱系统和针织条件而异。基于r-PET/r-cotton混纺纱获得的CSP值，可得出以下结论：含高达50% r-cotton的涡流纺纱线、含高达40% r-cotton的环锭纺纱线和含高达30% r-cotton的转杯纺纱线被认为适合针织物生产。
在统计分析方面，统计分析使用每种生产条件的平均响应进行。实验矩阵包括18个条件，代表三种纺纱系统（涡流、环锭和转杯）和六种r-PET/r-cotton混纺组成。对于每个条件，报告值为10次实验室测量的平均值。由于这些测量来自同一工业生产运行，它们被视为测试重复，未用作推断分析的独立实验单元。分层二次因子回归模型分别拟合毛羽、CVm、细节、粗节、棉结和CSP。纺纱系统作为分类因子处理，再生棉含量作为连续定量变量。模型包含线性和二次组成项及其与纺纱系统的交互作用。使用和为零编码对纺纱系统进行编码。应用部分F检验评估纺纱系统、线性和二次组成项及其交互作用的效应。统计显著性在α = 0.05下评估。模型拟合通过R2和调整R2总结。纺纱系统影响所有纱线性能（p < 0.001），再生棉含量的线性效应对每个响应均显著（p < 0.001）。毛羽（p = 0.035）、细节（p < 0.001）、粗节（p < 0.001）和棉结（p = 0.028）观察到显著的二次组成效应，而二次项对CVm（p = 0.887）或CSP（p = 0.211）不显著。纺纱系统×线性组成交互作用对所有响应均显著（p ≤ 0.0061），表明涡流、环锭和转杯纺之间随着再生棉含量增加的变化速率不同。纺纱系统×二次组成交互作用对毛羽（p = 0.0016）和细节（p = 0.0068）显著，但对CVm、粗节、棉结或CSP不显著（p > 0.05）。模型解释了97.1-99.7%的条件间变异（R2 = 0.971-0.997；调整R2 = 0.944-0.995）。为直接解释和预测，拟合的交互模型表示为系统特定的二次方程，其中x为再生棉含量（%），a、b和c为拟合系数。增加再生棉含量与更高的毛羽、CVm和纱线疵点以及更低的CSP相关，尽管这些响应的幅度和曲率在三种纺纱系统之间不同。每个纺纱系统×混纺组成条件由单一工业生产运行代表；因此无法估计独立的批间制造变异。推断结果因此描述所研究生产条件之间的系统差异，而独立生产重复将需要用于直接估计过程变异。
在成本和可持续性考虑方面，研究比较了涡流纺系统中优化的50/50 r-PET/r-cotton混纺生产的20 Ne PC纱线与由原生聚酯和棉纤维制造的常规PC纱线的制造成本。优化的再生混纺基于其适合织物生产而选择。原材料占生产成本的最大份额，约占纱线总制造成本的50-70%。用再生纤维替代原生聚酯和原生棉降低了生产成本。PC涡流纱的制造成本从原生纤维纱的2.95美元/kg降至完全由再生纤维生产的纱线的2.64美元/kg。传统上，雪花外观通过在纱线制造过程中将黑色染色粘胶纤维与原生棉结合来实现，产生具有独特视觉纹理的织物。由于此类织物无需后续染色，它们可减少水和化学品消耗以及染色废水。在本研究中，将白色r-PET与红色r-cotton混合生产了完全由再生纤维制成的增值偏红色雪花纱线，提供额外的成本节约，减少对原生棉的依赖，并支持循环纺织生产。从更广泛的废物增值角度来看，循环性涉及从残余材料中回收价值并将其返回生产用途，而不是仅将废物视为处置问题。先前研究已证明从工业废水中回收资源以生产功能材料以及将固体废物转化为增值复合材料，说明了废物到资源途径的更广泛潜力。本研究将这一原则直接应用于纺织品到纺织品的材料回收：消费前棉裁剪废料和再生PET使用现有工业纺纱系统转化为纱线，从而替代原生纤维投入并创造增值产品。测量的纱线制造成本降低进一步支持了该路线的实际相关性。然而本评估仅限于纱线性能、加工废物和制造成本；不包括生命周期评估或量化能源、水或温室气体排放的环境节约。因此此类影响应在未来工作中验证，然后再做出定量环境声明。
讨论部分总结如下：本研究证明了完全由r-cotton和r-PET在商业高速涡流、环锭和转杯纺纱系统上生产聚酯/棉（PC）纱线的可行性。特别是，该研究首次成功展示了将可纺性差的r-cotton纺制成高生产率纺纱平台即涡流纺的实用路线，而不是仅依赖传统的环锭纺和转杯纺。涡流纱结构提供了比环锭和转杯纱更低的毛羽。表面缠绕纤维有效包裹突出的纤维端，产生更光滑和更紧凑的纱线表面。这对于再生棉尤其相关，其中短且受损的纤维倾向于增加毛羽。基于工业针织的最低纱线强度要求（CSP 2200），涡流纺显示出最大的r-cotton耐受性，可容纳高达50%的再生棉，而环锭纺为40%，转杯纺为30%。涡流纱的较高强度归因于相对良好排列的较长r-PET纤维形成承载芯，而缠绕纤维改善径向压缩和纤维间 cohesion，反映在最低的毛羽值中。完全由再生纤维生产的PC纱线比其原生纤维 counterparts更具成本效益。优化的50/50 r-PET/r-cotton涡流纱适合目标针织应用，并将制造成本从相应原生纤维PC纱的2.95美元/kg降至2.64美元/kg。总体而言，这些发现表明高速涡流纺是将短r-cotton和r-PET纤维转化为商业可行纱线的有效方法，减少对原生原材料的依赖，降低生产成本，并促进纺织行业的循环发展。
