通过清洁生产促进二次原材料的循环利用：整合机械回收技术与后工业纺织废弃物的生态设计

《Journal of Cleaner Production》：Advancing secondary raw material flows through cleaner production: integrating mechanical recycling and eco-design of post-industrial textile waste

　　杜阿尔特·布拉斯（Duarte Brás）|安娜·卡塔琳娜·席尔瓦（Ana Catarina Silva）|蒂亚戈·阿泽维多（Tiago Azevedo）|劳尔·方盖罗（Raúl Fangueiro）|戴安娜·P·费雷拉（Diana P. Ferreira）
米尼奥大学纺织科学与技术中心（2C2T），阿祖伦校区（Campus de Azurém），4800-058，吉马良斯（Guimar?es），葡萄牙

**摘要**
向循环纺织经济的转型需要同时解决材料回收、可回收性设计以及产品耐用性等问题。然而，现有文献中这些方面往往被独立讨论，导致回收过程与产品设计决策之间的操作整合有限。本研究提出了一种综合的工程-设计方法，将工业后聚酯-棉纤维废料的机械回收与生态设计策略相结合，旨在实现现实工业条件下的循环和资源高效服装生产。该方法包括废料特性分析、纤维开松参数优化、含有30%回收成分的纱线和织物生产，以及基于可拆卸性和可回收性原则的功能性包装开发。机械回收过程的优化使纤维长度相比基线条件提高了28%，生产出的纱线强度达到15-16 cN/tex的范围，接近同类纱线的工业参考值。使用优化后的纱线生产的织物表明，机械回收的纤维可以纳入传统的纺纱和织造系统中。除了材料性能外，生态设计原则还应用于减少混合成分的使用，支持面向耐久性的设计选择（包括持久的美学设计和便于维修的服装构造），同时保持可回收性并便于未来的回收。因此，该研究展示了如何将机械回收的过程限制转化为支持循环性的实际服装制造规则。环境影响是基于文献假设的筛选级估算。在这些假设下，将1吨切割废料从焚烧转向机械回收可能避免约2.4吨二氧化碳当量的排放，并节省8-10立方米的水资源，尽管仍需进行全面的生命周期评估以确认这些影响。总体而言，结果表明，机械回收优化和生态设计可以作为实现循环纺织生产的互补手段，同时突出了需要进一步验证的技术权衡和工业限制。

**1. 引言**
全球纺织和服装行业正面临向更可持续和循环的生产和消费模式转型的压力。本文中的“循环纺织品”指的是通过再利用、维修和回收等策略保持纺织材料价值的产品和系统方法，同时通过便于拆卸、材料分离和重新整合到生产周期中的设计选择来实现高效的生命周期管理。纺织纤维的消费量正在迅速增加，2023年全球产量约为1.24亿吨，预计到2030年将增加到约1.6亿吨（Hassan等人，2025年）。该行业因其高环境影响、对不可再生资源的广泛使用以及产生大量废物而广受关注（Butturi等人，2025年；Farhana等人，2022年；Lara等人，2022年；Román-Collado等人，2023年）。特别是纺织消费的快速增长产生了大量的废料，这些废料通常通过填埋或焚烧处理。纺织行业还常因能源密集型加工和湿整理操作而显著贡献于温室气体排放和工业水污染（联合国环境规划署，2023年）。尽管技术进步和消费者意识提高，但传统的线性生产模式仍然占主导地位，其特征是快时尚消费模式、产品寿命短以及对生命周期管理的考虑不足（Bonelli等人，2024年）。此外，现有的服装设计实践往往优先考虑美学、成本或功能性因素，而非可回收性，从而在材料回收和再利用方面造成了结构性障碍（Gomes De Oliveira等人，2022年）。

减轻这一影响的最有前景的途径之一是回收和再利用工业后的纺织废料，尤其是服装制造过程中产生的切割废料和不合格织物（Baloyi等人，2024年）。这些废料通常具有化学均匀性且污染水平较低，适合进行回收处理。然而，由于纤维重新整合和设计兼容性的挑战，大部分材料目前被降级处理或丢弃。尽管近年来政策努力和可持续性倡议不断增加，但填埋和焚烧仍然是主要的废物管理方式，导致环境退化和资源枯竭（《新纺织经济》，2017年；Solis等人，2024年）。

在可用的回收技术中，机械回收仍然是最成熟和可扩展的纤维回收途径之一（Bonifazi等人，2025年）。该过程涉及将纺织废料机械粉碎以回收纤维，随后可将其重新引入纱线制造过程（Wojnowska-Bary?a等人，2024年）。本研究优先考虑机械回收，因为它在工业规模上广泛可用，可以整合到现有的纤维和纱线生产基础设施中，并避免了许多化学纤维回收方法所需的溶剂和复杂化学分离步骤。虽然化学回收可以产生高纯度的产品，但通常需要更高的能量和化学投入、更严格的原料规格以及更复杂的下游回收过程，这可能限制了大规模混合废料的短期应用。因此，提高机械回收的性能是一个务实且影响深远的研究方向。

然而，机械回收的纤维存在一些众所周知的局限性，包括由于撕裂过程导致的纤维缩短、纤维凝聚力减弱以及纺纱性和纱线强度降低（Yao等人，2025年）。这些因素可能导致纱线和织物质量下降，限制了其在耐用纺织产品中的应用。因此，开发纤维优化策略（包括预处理和工艺控制）对于提高回收纤维的质量和一致性至关重要。然而，仅靠回收技术的进步不足以实现向循环纺织系统的系统性转变，产品设计也必须同步发展，以促进延长使用寿命、便于拆卸和材料分离。在这方面，生态设计不仅被视为一项方法论原则，也是欧洲的政策推动力（Fonseca等人，2023年）。

欧盟（EU）的可持续和循环纺织战略设定了2030年的愿景，即投放欧盟市场的纺织产品应具有耐用性、可维修性和可回收性，并主要由回收纤维制成。这得到了改进的透明度工具（如数字信息系统）的支持，这些工具旨在促进分类和回收。同时，《可持续产品的生态设计法规》（ESPR）为设定产品性能和信息要求提供了框架。这些要求包括耐用性、可重复使用性、可维修性和回收成分等参数。此外，ESPR引入了数字产品护照（DPP）机制，以提高纺织供应链的可追溯性和价值保留。这些发展强化了欧盟委员会的观点，即大部分环境影响是在设计阶段确定的，从而强调了生态设计在提升循环性成果中的关键作用（欧盟委员会，2020年）。因此，本研究采用的方法结合了生态设计考虑、纤维优化和工艺性能。实际上，这种方法优先考虑了减轻可回收性障碍的产品和材料构造（例如，避免不必要的多材料组合，在适用情况下推广可拆卸部件，确保材料可识别）。通过将耐用性要求与实际的机械纤维回收限制相一致，该方法将纺织工程参数与产品设计决策联系起来。这种跨学科视角整合了纺织工程和设计逻辑，协调了美学考虑、功能要求和可回收性，实现了统一的循环目标（Chamorro-Mera等人，2023年）。这种整合确保了回收纤维性能的改进与便于收集、分类、拆卸和高质量再利用的产品架构相辅相成。

尽管关于机械回收和生态设计的文献越来越多，但两者仍常被视为平行领域。机械回收研究通常关注纤维开松和纱线性能，而不会将技术限制转化为具体的设计决策；而生态设计讨论通常仅作为定性指南提出，没有展示具体构造选择如何在现实回收条件下影响产品的生命周期可行性。因此，对于聚酯-棉等普遍存在的混合系统，工艺优化（纤维保护和纺纱性）、产品要求（纱线/织物耐用性）和可回收性设计（组件最小化和拆卸）之间的联系尚未得到充分证明。

为解决这一差距，本研究提出了一种结合机械回收优化和生态设计实施的综合方法。具体而言，该研究调查了工业后聚酯-棉切割废料（53%聚酯/47%棉）的回收和再利用，并展示了其转化为含有30%机械回收纤维的纱线、织物和服装的过程。研究追求四个主要目标：（i）表征具有代表性的工业废料流；（ii）优化纤维开松参数以改善纤维长度保持和加工性能；（iii）在加工稳定的原生/回收混合策略下展示纱线和织物制造；（iv）通过简化的构造和可拆卸设计决策实现生态设计，以减少混合材料成分并提高与未来回收周期的兼容性。

本研究未量化环境效益；相反，使用文献中报告的生命周期评估（LCA）证据定性讨论了所提出的设计和加工决策的影响。因此，未来的工作重点是进行全面的LCA，以将预期的改进转化为在现实和生命周期情景下的稳健、可比较的影响减少。总体而言，本文展示了如何结合工程优化和生态设计原则，在不依赖传统聚酯-棉废料回收方法的情况下，将循环性嵌入混合纺织产品的开发中（Kahoush和Kadi，2022年；Wojnowska-Bary?a等人，2022年；De Lima等人，2025年；Ghosh等人，2025年）。通过这种方式，该研究提供了一个操作框架，将回收过程优化、纺织产品性能和循环性设计原则连接在一个统一的实验工作流程中。

**2. 材料与方法**
2.1. 材料
用于本研究的灰色针织织物切割废料来自Polopiqué S.A.（葡萄牙），由53%聚酯和47%棉组成。在机械粉碎之前，材料经过了Pantoctal CT-40（Dilube，巴塞罗那，西班牙）商业纺织柔软剂的处理，这是一种非离子型柔软剂。该柔软剂的主要功能是通过减少加工过程中的纤维间摩擦和静电积聚来促进纤维开松。样品使用含有28克ECE非磷酸盐洗涤剂、10克过硼酸钠和2克四乙酰乙二胺（TAED）的洗涤剂溶液进行洗涤。

2.2. 设备和工业设施
机械解纤试验使用Labatory Shredding Machine 337S（Mesdan S.p.A.，Puegnago del Garda，意大利）进行，该设备具有独立可调的操作参数（输送带进料速率、主滚筒速度、上滚筒速度和空气吸力强度），能够在实验室规模上控制地复制工业开松条件。纱线和织物制造在Polopiqué S.A.（葡萄牙）的工业条件下进行，使用代表传统棉和棉混纺加工的标准设备：梳理机（Rieter C4，温特图尔，瑞士）、牵伸机（Trützschler TD7，门兴格拉德巴赫，德国）、粗纱机（Rieter F36，温特图尔，瑞士）和紧凑型环锭纺纱机（Rieter K46，温特图尔，瑞士）。纱线缠绕/上蜡使用Saurer Schlafhorst Autoconer 6（übach-Palenberg，德国）进行。织物在Polopiqué S.A.的工业织造条件下使用Itema剑杆织机（意大利）生产。选择这些设施是为了确保所提出的工作流程与广泛部署的工业基础设施兼容，并易于转移到工厂规模实践中。

2.3. 纺织废料特性分析
为了确定工业后纺织废料在回收前的化学组成和热稳定性，进行了衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）和热重分析（TGA/DTG）。

2.3.1. ATR-FTIR分析
ATR-FTIR分析使用Shimadzu公司的IRAffinity S1光谱仪（京都，日本）进行，配备有ATR附件。光谱在4000?600 cm?1的光谱范围内收集了45次扫描，透射模式下的分辨率为4 cm?1。对于每个样品，从纤维束的不同区域进行了三次测量，以考虑局部异质性。

2.3.2. 热重分析和差示热重分析（TGA-DTG）
TGA/DTG分析在STA7200RV热分析系统（Hitachi，东京，日本）中进行，温度范围为25–600°C，加热速率为10°C min?1。使用氮气作为 purge气体，流量为200 mL min?1。初始样品质量在6.64至8.83 mg之间，样品放置在氧化铝盘中。数据以质量百分比对温度绘制，从导数热重曲线中识别出最大热转变事件。机械回收优化
Polopiqué S.A.提供的纺织废料经过解纤处理，使用的是Mesdan S.p.A.公司（位于意大利Puegnago del Garda）生产的实验室粉碎机337S。该设备（见图1）包括输送带、主滚筒、上滚轮以及负责将释放出的纤维输送到收集容器中的空气抽吸系统。机器的每个部件均可独立调节，包括输送带速度（米/分钟）、主滚筒和上滚轮的旋转速度（转/分钟）以及空气抽吸强度。由于实验室设备配备了一个解纤模块，因此通过校准操作参数在实验室规模上复制了工业开纤过程，以提高纤维回收率并减少纤维损伤。优化试验评估了六个变量：（i）进料速率；（ii）主滚筒速度；（iii）上滚轮速度；（iv）空气抽吸速度；（v）粉碎次数；（vi）预喷涂柔软剂溶液。

在选定回收试验之前，使用手动喷雾器将纺织废料轻轻喷洒了0.5%（体积比）的商业非离子纺织柔软剂水溶液。通过测量纤维长度来评估机械处理对纤维质量的影响。正如在纺织机械回收研究中报道的那样，增加粉碎强度（例如提高滚筒/滚轮速度和/或增加粉碎次数）通常可以改善材料开纤效果，并通过促进纱线到纤维的转化和减少缠结束的增加来提高回收纤维的比例。然而，这也观察到会增加机械应力（拉伸、弯曲和剪切应力），从而加速纤维断裂并缩短平均纤维长度。这种纤维长度的减少是一个关键的权衡因素，因为它可能影响纤维的凝聚力、可纺性和纱线强度，从而限制了传统纺纱系统中可获得的回收含量（Kanan等人，2024年；K?rkk?inen等人，2025年；Arafat和Uddin，2022年；Islam等人，2025年；Lindstr?m等人，2020年）。

2.4.1 纤维长度测量
纤维长度是使用纤维梳手动测量的，并借助ImageJ软件进行分析，符合ISO 6989:1981标准，以确保长度记录的一致性。测量工作由具有纺织纤维处理和机械回收纤维特性分析经验的受过培训的实验室人员进行。为了最小化操作者偏差，所有样本的测量都采用相同的程序和放大设置。此外，根据ISO指南排除了难以区分的纤维（例如严重扭曲或无法完全分离的纤维）。在优化试验中，从收集的废料中随机抽取约200根纤维进行长度测量，以反映机械回收材料的固有异质性。这样能够全面代表纤维长度分布，并允许在不同工艺设置之间进行可靠比较。每个数据集的纤维长度分布使用GraphPad Prism软件通过直方图进行分析，从而能够对分布进行定性检查并进行描述性统计分析。

2.5 纱线和织物生产
纱线和织物的生产在Polopiqué S.A.（葡萄牙）的工业条件下进行，使用标准纺纱设备和操作设置。回收纤维与原棉按70:30的比例混合。选择这一比例是基于初步纺纱试验和先前的经验，表明在所研究的条件下，这种比例在可纺性、纱线质量和回收含量之间提供了最佳平衡。虽然初步试验中探索了更高的回收纤维比例，但导致纤维过度断裂和纱线不规则，因此没有在工业规模上继续采用。

混合物通过Rieter公司（瑞士Winterthur）的梳棉机加工成梳理网，然后将其压缩成线密度为0.110 Ne（英制计数）的粗纱。粗纱首先经过Trutzschler公司（德国M?nchengladbach）的牵伸机进行初次牵伸，以标准化质量变化和纤维排列，并通过弯曲和拉伸使其颜色均匀。随后进行第二次牵伸，得到线密度为0.120 Ne（英制计数）的粗纱。接着，粗纱在Rieter公司（瑞士Winterthur）的罗纹机中以1.48的捻度和7.5的牵伸比加工成罗纹纱。罗纹纱在Rieter公司（瑞士Winterthur）的紧凑型环锭纺纱机上连续纺成纱线，捻度为810（T/m），牵伸比为28.60。纱线随后在Saurer Schlafhorst公司（德国übach-Palenberg）的络纱机上进行上蜡处理，每批样品生产出5个400克的线轴。

织物的生产在Polopiqué S.A.的工业织机条件下进行，使用意大利Itema公司的织机。生产了三种不同结构的机织物，包括2/2斜纹、人字斜纹和双纹织物。

使用Welch的单因素方差分析（ANOVA）比较了不同样品的纱线强度，因为方差不等（Brown–Forsythe检验，p < 0.05）。使用Dunnett的T3事后检验进行了成对比较。每个样品使用5个纱锥进行重复实验，统计显著性定义为p < 0.05。

2.6 纱线和织物特性

2.6.1 纱线特性
机械特性测试使用Uster Tenso Rapid IV（瑞士Uster）、Uster Tester 5（瑞士Uster）、Uster Zweigle Twist Tester 5（瑞士Uster）和Uster Zweigle Yarn Reel（瑞士Uster）进行，符合ISO 17202标准（国际标准化组织（ISO），2002年）。每个纱线样品生产5个纱锥（n = 5）。对于拉伸测试，每个纱锥进行了多次技术测量（技术重复），并使用纱锥级别的平均值作为推断统计的独立重复样本，以避免伪重复。

2.6.2 织物的机械完整性
评估织物的机械完整性，以确认其适合最终服装用途并衡量与耐用性相关的性能。根据ISO 13934-1:2013标准（国际标准化组织（ISO），2013a）评估了拉伸强度和断裂伸长率，该标准规定了条带测试方法。在经纬两个方向准备了标准化尺寸的矩形样品，并将其安装在测力机的夹具中。以恒定伸长率（通常为100毫米/分钟）施加单轴拉力，直到样品断裂。记录最大承受力（牛顿，N）和断裂伸长率（百分比，%）。

2.6.3 尺寸稳定性和抗起球性
评估尺寸稳定性，以确保织物在标准护理周期后符合消费者使用期望和常见的质量保证要求。测试遵循ISO 3759:2011标准（国际标准化组织（ISO），2011年和ISO 6330:2021标准（国际标准化组织（ISO），2021年）中的家用洗涤程序。在洗涤前，使用标准模板在样品上标记了一个20 × 20厘米的方块。洗涤前在经纬两个方向各进行三次测量。样品在40°C下洗涤30分钟，与30个标准化加重样品一起洗涤。洗涤后，样品平放干燥24小时。根据公式（公式1）和（公式2）计算尺寸变化，并以百分比表示：
（公式1）Δ经向(%) = (wfinal - winicial) / winicial × 100%
（公式2）Δ纬向(%) = (wfinal - winicial) / winicial × 100%

抗起球性作为与外观保持相关的重要指标进行评估，因为它关系到织物的质量和使用寿命。ISO 12945-2标准（国际标准化组织（ISO），2020a）规定了使用旋转箱法测定织物抗起球性的测试方法。在该测试中，织物样品安装在松散的支架上，并放置在装有标准化磨料材料的旋转箱内，以模拟正常使用中的摩擦和磨损。标准旋转周期为1800次。然而，本研究进行了2000次循环以满足特定的评估要求。测试后，根据标准起球等级（1至5级）对样品进行视觉评估。此外，ISO 12945-1标准（国际标准化组织（ISO），2020b）提供了预测纺织品随时间变化的视觉性能的框架，以确保符合质量标准。

2.6.4 撕裂强度和接缝滑移
织物的撕裂强度是通过评估在指定条件下从初始切口传播到最终断裂点所需的力来确定的，符合ISO 13937-1:2000标准（国际标准化组织（ISO），2000年）。该标准量化了在突然施加负载下从预切处传播撕裂所需的力（牛顿，N）。根据标准切割模板，在经向和纬向各准备了五个样品。使用Elmendorf撕裂测试仪进行测量。

接缝滑移测试用于评估织物在受力时的性能。根据ISO 13936-1:2004标准（国际标准化组织（ISO），2004年），使用直锁缝缝线将两块织物缝合在一起，缝线长度和缝线到织物边缘的距离符合标准参数。测试在拉伸测试机上进行，记录产生6毫米滑移所需的力。

2.6.5 耐色性
耐色性使用ISO标准方法进行评估，以确保织物在常见消费者和使用条件下的性能（洗涤、水浸、汗液和光照）。根据ISO 105-C06:2010标准（国际标准化组织（ISO），2010年）在典型洗涤条件下测定耐洗色性，控制温度和时间，并使用多纤维相邻织物进行测试。洗涤后，使用标准灰色和蓝色等级对测试样品和相邻纤维的变色进行评级。

2.6.6 耐色性
耐水性根据ISO 105-E01:2013标准（国际标准化组织（ISO），2013b）确定，耐汗色性根据ISO 105-E04:2013标准（国际标准化组织（ISO），2013c）确定。摩擦耐色性根据ISO 105-X12:2016标准（国际标准化组织（ISO），2016年）进行测量，光耐色性根据ISO 105-B02:2014标准（国际标准化组织（ISO），2014年）使用氙弧灯进行评估。

2.7 环保设计过程
环保设计过程被定义为一种循环设计方法，将机械回收聚酯-棉混纺的技术限制转化为明确的服装构造规则。这种方法符合现有的环保设计管理指南（国际标准化组织（ISO），2020c）以及当前欧洲关于耐用性、可修复性、可回收性和信息透明度的政策优先事项（欧洲议会和欧盟理事会，2024年；欧盟委员会，2022年）。为了将环保设计选择基于现有证据，表1总结了本研究中采用的设计阶段及相关文献。

表1. 用于开发循环服装的环保设计阶段
设计阶段 | 指导原则 | 参考文献
|------------|------------------|-----------------|
| 材料选择 | 优先选择可再生、回收和认证的纤维；避免复杂的多纤维混合物 | 欧洲议会和欧盟理事会（2024年；欧盟委员会，2022年） |
| 组件最小化 | 减少拉链、刚性装饰、混合材料配件；避免使用粘合剂和复合衬里 | Hondtong等人（2025年） |
| 可拆卸设计 | 使用机械连接方式而非化学连接；确保组件易于分离 | Ramzan等人（2023年） |
| 图案优化 | 应用零浪费或低浪费布局和数字原型设计以减少废料 | McQuillan和Rissanen（2012年） |
| 耐用性和适应性 | 设计永恒、性别中立的轮廓和可调节的版型 | Chapman，2009年；Fletcher，2017年 |
| 信息透明度 | 预期可追溯性要求并记录成分/工艺数据以支持循环决策 | 欧洲议会和欧盟理事会（2024年） |

阶段选择由三个主要目标指导：（i）减少材料异质性和不可拆卸组件，这些因素可能阻碍分类和机械回收（与上述机械回收纤维的工艺敏感性一致）；（ii）通过基于图案的策略减少切割废料；（iii）通过耐用性和情感耐用性概念鼓励延长使用时间和延迟处置。实际上，简化了服装结构，避免了多余的层和混合组件。在连接方案方面，优先考虑机械可逆性（可拆卸设计），以便于寿命结束时的分离和未来回收周期的兼容性。设计和图案开发使用数字原型工具进行，以便在物理采样前进行迭代改进，并最小化废料产生。本文将环保设计方法作为整体集成工作流程的运营组成部分进行介绍。胶囊系列中实施的具体设计解决方案在讨论部分进行了讨论，以及它们的实际影响。

胶囊系列使用了三种织物选项进行开发。主要织物由70%有机棉和30%的机械回收聚酯-棉切割废料（其中53%为回收聚酯，47%为棉）组成。设计和图案开发过程使用了数字原型工具进行，这使得在物理采样之前可以进行迭代改进，并支持低浪费的布局决策。服装构造被有意简化，以减少可能阻碍生命周期结束时处理的层状组件和混合成分元素。在需要补充组件的情况下，这些组件被指定为可拆卸和机械可逆的，目的是为了便于在其生命周期结束时进行拆卸。所有设计文件都包含了记录的成分和工艺信息，从而确保了可追溯性和与数字产品护照规定的要求的未来兼容性。

3. 结果
3.1. 纺织废料特性
通过ATR-FTIR和热重分析（TGA/DTG）确认工业废纺织品为聚酯-棉混纺（图2）。ATR-FTIR光谱显示了与纤维素基和聚酯成分相关的特征吸收带。对于棉成分，3332至3283厘米^-1之间的宽吸收带归因于羟基的O-H伸缩振动，表明存在吸收的水分、游离酚类、一级和二级脂肪醇，这些成分存在于纤维素、半纤维素和木质素中（Abidi等人，2010年）。2912厘米^-1和2853厘米^-1的吸收带分别对应于纤维素长烷基链中的不对称和对称CH2伸缩（Chung等人，2004年）。1410厘米^-1的吸收带与纤维素的CH2对称弯曲有关（Portella等人，2016年）。1155厘米^-1的吸收带是由于β-糖苷键的C-O-C不对称伸缩（Abidi等人，2008年）。1052厘米^-1的强吸收带对应于纤维素中多糖的C-O和O-H伸缩振动（Romanzini等人，2012年）。898厘米^-1的峰值表明存在纤维素单糖之间的β-糖苷连接（Portella等人，2016年）。对于聚酯成分，典型的酯基吸收带可见：1711厘米^-1的强峰对应于羰基（C=O）伸缩（Paz和Sousa，2024年）。1500厘米^-1的较弱带可能与C=C伸缩有关（Djebara等人，2012年），而聚酯的CH3对称弯曲出现在1337厘米^-1（Asimakopoulos等人，2014年）。1241厘米^-1的峰被归因于与芳香环相连的不对称C-C-O伸缩（Smith，2022年），1018厘米^-1的峰对应于C-H变形（Berendjchi等人，2016年）。717厘米^-1的带进一步证实了聚酯聚合物结构中存在取代的芳香环（Berendjchi等人，2016年）。

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图1. 用于工业废纺织品机械回收的实验室粉碎机337S（Mesdan S.p.A., 意大利）。(a) 设备的总体视图；(b) 关键组件的示意图：传送带（A）、主滚筒（B）、上滚筒（C）和空气吸力单元（D）。

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图2. (a) 聚酯-棉纺织废料在4000–400厘米^-1区域的ATR-FTIR光谱；(b) 在氮气气氛下以10°C/min的速率进行的热重分析。

聚酯-棉纺织废料的热降解行为（图2）表现出与先前研究中类似纤维混合物描述的特征一致（Portella等人，2016年；Trejo-Carbajal等人，2022年；De Rosa等人，2010年；Ding等人，2022年；Hu等人，2020年；Isola等人，2024年；Monteiro等人，2012年）。最初，在30至110°C之间观察到轻微的重量损失，这归因于水分和物理结合成分的蒸发。纤维素的主要降解步骤发生在150–380°C范围内，最大降解速率在348°C。DTG曲线显示在此范围内重量损失约为41.3%，表明纤维素结构逐渐分解。第二个更显著的降解峰出现在426°C，对应于聚酯成分的热分解。聚酯的降解在380至505°C之间发生，平均重量损失为40.9%。这些结果共同证实了纺织废料的二元组成——棉和聚酯——并揭示了它们降解过程的顺序性。

3.2. 机械回收优化
机械优化过程侧重于通过选择和调整粉碎和开松阶段的关键参数来改善纤维长度和凝聚力。初步试验表明，进料速率和主滚筒速度对纤维长度的影响最小。因此，这些参数分别固定在0.5米/分钟和980转/分钟，用于后续试验。进行了系统试验，以确定上滚筒速度、空气吸力速度、通过次数、交替粉碎-开松序列以及柔软剂预处理对纤维回收和质量的最佳组合。目标是确定在限制可见纤维损伤的同时最大化纤维长度的操作条件。

3.2.1. 纤维长度
使用ImageJ软件评估纤维长度分布，以评估机械和预处理参数对纤维回收和质量的影响（图3）。结果总结在表2中。基于每个样本的200次单独测量，报告了平均纤维长度（x?）和标准差（SD）。

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图3. 在不同机械和预处理条件下处理的12个样本的纤维长度分布直方图。

表2. 应用于纺织废料处理的机械优化参数，包括上滚筒速度、空气吸力速度、通过次数和预处理条件。
样本
上滚筒速度（rpm）
空气吸力速度（rpm）
通过次数
预处理
纤维长度（mm）
x?
SD
175
2000
313.9
2.77
215
3000
215.1
3.38
320
3000
111.2
5.3
144
3000
113.9
4.55
575
3000
111.3
4.46
615
4000
112.2
4.47
74000
2
无柔软剂
12.9
3.39
84000
2
有柔软剂
17.2
3.61
94000
SC
无柔软剂
14.6
3.98
104000
SC
有柔软剂
15.9
5.05
1120
4000
112.3
4.28
1275
4000
111.2
3.45
?SC - 在粉碎机和开松机之间交替通过。

在相同的机械设置下（上滚筒15转/分钟，空气吸力4000转/分钟，两次通过），使用柔软剂（样本8）的纤维平均长度（17.2毫米）高于相应的未处理条件（样本7，12.9毫米）。对于交替粉碎-开松配置，也观察到了类似的趋势，其中样本10（使用柔软剂）的平均纤维长度（15.9毫米）高于样本9（未使用柔软剂，14.6毫米）。表2中报告的纤维长度统计数据反映了基于每个样本200次单独测量的运行内分布。观察到的标准差大约在2.8–5.3毫米之间，表明所有测试条件下的分散程度较大。

图3提供了在不同操作条件下获得的纤维长度分布的视觉表示。样本8和10显示出最有利的纤维长度特性，因此被选用于纱线生产。

3.3. 纱线特性
从选定的回收纤维生产的纱线显示出线性密度为Ne 24。它们的机械和结构特性在表3中呈现。

表3. 由机械优化的聚酯-棉纤维生产的纱线的机械性能。

空单元
薄弱处
密集处
棉结
韧性
伸长率
样品
%?50%/km
50%/km
200%/km
克/特克斯
%T/invh
720.5
1 ± 0.40
50.8 ± 10.16
90 ± 57.25
54 ± 56.11
3.44 ± 0.27
5.62 ± 0.14
19.98 ± 0.24
821.21 ± 0.74
68.2 ± 22.31
1056 ± 88.49
59 ± 11
15.13 ± 0.64
6.27 ± 0.17
21.61 ± 0.32
919.30 ± 0.47
22.4 ± 8.91
668 ± 66.85
61 ± 58.31
15.61 ± 0.59
6.18 ± 0.17
21.73 ± 0.24
1020.57 ± 0.53
33.8 ± 9.52
954 ± 10
2845 ± 75.51
15.39 ± 0.54
6.39 ± 0.20
21.81 ± 0.25
10（工业）
17.74 ± 0.31
14.00 ± 6.87
661 ± 70.94
38 ± 72.11
5.28 ± 0.43
6.30 ± 0.13
21.42 ± 0.29

韧性在不同纱线样本间存在显著差异（Welch's ANOVA，p < 0.0001）。事后比较（Dunnett's T3）显示样本7的韧性显著低于样本8、9、10和10（工业）（p ≤ 0.0219），而在优化路线之间（样本8–10）或样本10（实验室）与其工业规模对应物之间没有发现显著差异（p = 0.9740）。在测试的纱线中，样本9显示出最高的韧性（15.61 cN/tex），而样本7显示出最低的韧性（13.44 cN/tex）。使用样本10的设置生产的工业规模纱线达到了15.28 cN/tex，并且每1000米有14个薄弱处、661个密集处和438个棉结。基于结合的纤维长度和纱线质量结果，工业规模的纤维开松使用与样本10相同的设置进行，所得纱线用于生产三种机织物构造。表4总结了传统参考文献和文献中的基准值，以便与本研究中获得的回收纤维纱线进行比较。

表4. 纱线性能的基准测试：传统参考文献与回收纤维纱线。
组成
空单元
薄弱处
密集处
棉结
韧性
参考值
?50%/km
50%/km
200%/km
克/特克斯
棉和聚酯
Ne 24
4115
2881
18.41
Uster Statistics
棉和聚酯
1466
1438
15.28
Azevedo等人（2025）
棉
1762
01322
6914.63
Arafat和Uddin（2022）
棉
6159
3189.1
Utebay等人（2023）

3.4. 织物性能
含有30%回收纤维的织物的物理性能被表征，以评估其在三种机织物构造下的性能。

表5. 含有30%回收纤维的织物的物理性能。

样品
R228
R229
R230
组成
84%棉 – 16%聚酯
可切割宽度（cm）
147
147
147
重量（g/m2）
275 ± 5%
315 ± 5%
410 ± 5%
尺寸稳定性
+0.5%至?3.0%（±1%）
+0.5%至?7.0%（±1%）
+0.5%至?4.0%（±1%）
撕裂强度
1000克
1000克
1000克
缝线滑移
10公斤
7公斤
10公斤
抗起球性
2-3（2000转）
2（2000转）
1-2（2000转）
色牢度
- 洗涤
变化4；染色3/4
- 水
- 汗水
- 摩擦
变化4
所有样本的可切割宽度均为147厘米。尽管使用了相同的纱线，但三种织物的构造不同。织物重量从275克/平方米（R228）到410克/平方米（R230）不等。尺寸稳定性在织物之间有所不同，收缩值从?3.0%到?7.0%不等。所有样本的撕裂强度均为1000克，而R229的缝线滑移低于R228和R230（10公斤）。三种构造的拉伸强度均为20公斤。抗起球性在2000转后，R228为2-3级，R230为1-2级。

3.5. 环保设计实施和示范服装
环保设计通过三个主要原则实现：（i）材料的简化，（ii）组件的最小化，以及（iii）为拆卸而设计。最终的胶囊系列使用含有30%回收纤维的织物，并选择了优先考虑机械可逆连接和减少修剪复杂性的构造。图4展示了最终的示范服装，而补充信息提供了详细的设计示意图和服装特定特征。

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图4. 在提出的环保设计框架内开发的胶囊系列。来源：作者自己的阐述。

4. 讨论
4.1. 将机械回收的限制转化为纤维处理策略
结果表明，上滚筒速度和空气吸力强度是对纤维保存影响最明显的参数。这种行为可以解释为开松效率和纤维损伤之间的平衡：过度的机械强度会增加剪切和冲击应力，促进纤维断裂，而较为温和的条件则有利于控制开松和纤维释放。空气吸力也起着关键作用，因为吸力不足可能导致纤维堆积和摩擦损伤，而吸力过大则可能在收集过程中加剧纤维扰动。从纺纱的角度来看，保持纤维长度特别重要，因为较短和受损的纤维会降低纤维间的凝聚力，增加自由纤维端的数量，并倾向于恶化纱线的不规则性。相反，保存得更好的纤维有利于改善对齐、纤维间的凝聚力和沿纱轴的负载传递。从这个意义上说，当前的结果表明，机械回收的限制可以转化为实际的纤维处理策略，旨在在实际工业条件下保持可纺性。

使用柔软剂的途径引入了额外的过程权衡。虽然使用柔软剂增加了平均纤维长度，但也与较高的纱线缺陷水平和轻微的韧性降低相关。这表明润滑可能在开松过程中减少纤维断裂，同时降低高效牵伸和加捻所需的纤维间摩擦。因此，结果指出了纤维保存和纱线凝聚力之间的折中，而不是单一的普遍最优条件。

除了过程性能之外，添加化学助剂还引发了与循环性相关的考虑。尽管在低剂量下使用并且通常用于传统纺织加工中，柔软剂代表了一个额外的输入，可能会对后续回收循环、下游湿加工和整体环境性能产生影响。残留的柔软剂也可能影响重复回收循环和与后续整理操作的兼容性。这些方面在当前研究中没有量化，因此应该（i）量化处理后的残留柔软剂含量（包括标准洗涤/清洗步骤后），（ii）评估其在重复回收循环中的效果及其与下游整理的兼容性，以及（iii）通过基于情景的LCA比较柔软剂辅助与纯机械优化的环境和经济权衡。

4.2. 将纱线和织物性能与文献和工业基准进行定位
当与通常报告的机械回收棉或聚棉纤维的范围进行定性比较时，这些范围通常根据原料和工艺的严格程度在8–14毫米之间（Esteve-Turrillas和De La Guardia，2017；Johnson等人，2020），本研究中表现最好的条件（15.9–17.2毫米）表明纤维保存有所改善。然而，由于纤维类型、原料来源和测量协议在不同研究中有所不同，这些比较应被视为指示性的而非决定性的。

在所有样本中，不使用柔软剂在粉碎机和开松机之间交替通过产生的韧性最高（15.61 cN/tex），并且纱线质量指标最有利，有22.4个密集处、668个薄弱处和每公里561个棉结。相比之下，不使用柔软剂的两次直接粉碎过程产生的韧性最低（13.44 cN/tex），表明纤维保存和纱线质量之间的平衡较差。这些结果证实，纤维开松条件对最终纱线的机械性能和结构性能有显著影响。根据USTER?对Ne 24环锭纺棉和聚酯纱线的统计数据，中位韧性（USP 50%）约为18.41 cN/tex，典型的缺陷水平为每1000米有4处细纱、115处粗纱和288个结纱。与这些工业参考值相比，本研究中使用机械回收纤维生产的纱线表现出较低的韧性和较高的缺陷发生率。尽管如此，表现最好的样品在韧性方面与工业基准部分吻合，尽管缺陷仍高于典型的工业目标。在这方面，表4特别相关，因为它将当前结果定位为在机械回收系统的公认限制内的技术上可信的性能，而不是与原生纤维基准的等同。这种比较强调了本工作中实施的优化策略主要改善了纤维的保存，而不是根本改变机械回收纤维的性能上限。

引入的柔软剂辅助工艺带来了明显的工艺权衡。虽然柔软剂的使用提高了纤维长度的保存，但也导致了更高的结纱和粗纱水平，尤其是在样品8和10中，这表明加工过程中纤维间的摩擦减少可能改善了开松效果，但同时对纱线的均匀性产生了负面影响。基于纱线质量和纤维长度的结果，工业规模的纤维开松使用了与样品10完全相同的参数。尽管相应的工业纱线韧性略低于样品9（15.28 vs. 15.61 cN/tex），但在纤维完整性、结构均匀性和工业工艺兼容性之间提供了更有利的折中。在这些条件下生产的纱线每1000米有14处细纱、661处粗纱和438个结纱，证实了良好的结构均匀性和可纺性。

在织物层面，三种编织构造的拉伸和撕裂性能保持稳定，表明30%的回收纤维含量可以在现有的编织基础设施中集成到结构良好的织物中。然而，抗起球性成为主要的性能限制。2000转后观察到的低起球等级表明，尽管这些织物适合作为工艺可行性的示范品，但它们尚未达到市场-ready服装应用所需的耐久性标准。这一点尤为重要，因为它直接影响了生态设计贡献的定位。因此，这种胶囊收集应被解释为集成回收-纺纱-编织工作流程的功能性示范，而不是作为市场-ready的质量规格。观察到的起球行为与机械回收纤维系统一致，在这种系统中，较短的纤维和突出的末端会增加起球性；织物构造可以通过表面拓扑和紧凑性进一步调节这种趋势。为了在未来工作中协调可回收性和提高耐久性，可以考虑多种缓解策略，包括：(i) 增加捻度或增强压缩以减少纤维突出；(ii) 选择产生更光滑表面的构造（例如，更紧密或面优化的编织和适当的经纱/纬纱分配）；(iii) 采用与循环性兼容的整理策略，优先考虑机械选项（烧毛、剪切、压光），并在必要时选择低影响的抗起球整理，以避免产生不可分离的多材料层。

4.3. 生态设计作为面向循环性的设计操作层
本研究的一个关键贡献在于表明，生态设计不仅可以作为孤立的设计练习来实施，还可以作为对回收、纺纱和织物生产过程中发现的技术限制的响应。在本研究中，材料简化、组件最小化和可拆卸设计被用作实际规则，以减少材料异质性并支持未来的可回收性。这一点特别重要，因为机械回收纤维的技术限制，如纤维长度减少、不规则性增加和耐久性限制，直接影响可行的产品架构范围。在这个意义上，生态设计在这里作为一个面向循环性的设计操作层，将工艺限制转化为服装构造选择。因此，这种胶囊收集应更多地被解释为可回收导向设计如何与材料和工艺现实相协调的示范，而不是作为最终消费产品的表现。这种定位很重要，以避免过度夸大生态设计作为量化性能增益的贡献，因为在当前研究中，它主要被证明是实施可行性和结构潜力。

这里开发的策略在概念上可以转移到消费后废物流中；然而，在消费后条件下实施需要额外的操作（例如，分类、去污和系统性的修剪去除），并且应在更高的原料变异性下进行实证验证。生态设计结果的定量验证（例如，拆卸时间、提高的回收率或服务寿命延长）并未在本研究的范围内进行。因此，未来的工作应包括直接指标，如修剪的数量和质量分数、拆卸时间以及重复周期中的可回收性结果。

4.4. 工业实施考虑
尽管所提出的工作流程是使用工业设备和标准工厂操作执行的，但本研究应被解释为在受控的工业后原料条件下的工艺演示，而不是全面放大验证。其工业相关性在于表明，可以使用现有的制造基础设施将机械回收的聚酯-棉废料转化为纱线、织物和示范服装，而无需依赖溶剂密集型的纤维分离。同时，工业实施将需要常规的原料质量控制（成分、整理残留物、污染）、定义纤维长度分布和纱线缺陷限制的接受标准，以及跟踪成分和工艺元数据以支持分类和数字产品护照要求。潜在的瓶颈包括开松过程中的产量损失（纱线到纤维的转换和细小颗粒的去除）、批次间回收纤维特性的变化，以及在柔软剂辅助工艺中观察到的纤维保存和纱线均匀性之间的权衡。这些方面特别重要，因为它们不仅影响技术可重复性，还影响工业采用的经济和管理可行性。从管理和实施的角度来看，工作流程建议了一种采用决策逻辑：工厂可以优先考虑在原料均匀性支持稳定处理的工业后流中短期部署，而消费后扩展将需要额外的操作（分类、去污、修剪去除）和专门的成本/能源评估。因此，需要进行技术经济分析和物料平衡评估，以支持工业决策和投资。

4.5. 集成机械回收和生态设计的概念框架
本研究的结果可以归纳为一个概念框架，该框架说明了机械回收优化和生态设计实施在循环纺织产品开发中的操作互动。该框架强调了在纤维回收过程中遇到的技术限制如何转化为纤维处理策略和服装设计决策，从而共同支持循环性。在提出的模型（图5）中，工业后纺织废料构成了系统的起点。这种原料的特性，如纤维成分、污染水平和整理残留物，直接影响机械回收阶段。在这个阶段，工艺参数包括开松强度、滚筒速度、空气吸力强度、通过顺序和可选的柔软剂应用决定了纤维保存的程度和纤维长度分布。这些纤维特性随后定义了回收纤维的可纺性，并影响纱线的结构参数，如韧性、均匀性和缺陷水平。纱线性能进一步限制了可行的织物构造范围，影响织物性能，包括拉伸强度、抗撕裂性、尺寸稳定性和表面耐久性。生态设计作为一个操作层，将这些上游处理限制转化为产品设计策略。实际上，这涉及优先考虑材料简化，减少修剪复杂性，并结合可拆卸设计原则，以最小化多材料组装并促进未来的回收操作。通过这种互动，机械回收优化和生态设计决策作为互补机制发挥作用。该框架不仅旨在最大化回收含量，还展示了如何将回收限制信息转化为纤维处理策略和产品架构。这种整合使得纺织产品的发展与现有制造基础设施兼容，同时保持与循环性目标的一致。

在系统层面，该框架突出了几个关键的反馈循环。产品设计决策影响未来的可回收性，而回收结果为后续产品代的设计限制提供信息。这样，提出的模型说明了如何共同利用工程优化和产品设计来提高混合纺织系统的循环性能。图5中呈现的概念框架总结了所提出工作流程的集成逻辑，并强调了回收过程参数、纤维质量结果、纺织产品性能和面向循环性的生态设计策略之间的互动。这样的框架有助于澄清，当前研究的原创性不仅在于最大化回收含量，还在于展示如何在现实的工业条件下系统地将机械回收限制转化为纤维处理策略和面向循环性的设计规则。

5. 结论
本研究提出并展示了一种集成的、可工业实施的方法论，该方法结合了机械回收、纤维准备和生态设计，将工业后的聚酯-棉切割废料转化为含有30%机械回收纤维的纱线、织物和示范服装。这项工作的核心贡献不在于最大化回收含量，而在于展示如何在现实的工业条件下系统地将机械回收限制转化为纤维处理策略和面向循环性的设计规则。从技术角度来看，优化解纤参数使得能够回收适合稳定纺纱的纤维，保留了适当的长度分布。所得到的Ne 24纱线达到了15-16 cN/tex范围内的韧性，表明工艺调整和受控的纤维准备可以部分缓解机械回收原料的已知限制。在织物层面，从相同纱线生产的三种构造在测试条件下保持了拉伸和撕裂性能，表明30%的回收含量可以在现有的工厂基础设施中加工成结构良好的编织织物。从设计和循环性的角度来看，生态设计被实现为一个面向循环性的设计层，将回收限制转化为具体的服装构造规则，包括材料简化、组件最小化和机械可逆的连接。在这个意义上，该研究推进了一个实用框架，在该框架中，工艺限制不仅被视为障碍，而是产品重新设计的输入。这加强了工艺优化和可回收性设计之间的联系，提供了一种可复制的方法来减少材料异质性并促进未来的分类和回收。然而，生态设计的贡献主要被证明是实施可行性，而不是在拆卸性能或服务寿命延长方面的量化收益。

从工业相关性的角度来看，该方法优先考虑了与现有纺织生产线兼容的可扩展路线，并避免了溶剂密集型的分离。因此，该方法支持高体积混合废流的短期部署，其中化学纤维分离在技术上具有挑战性或在经济上受到限制。关于环境影响，研究表明，将工业后切割废料从处置转向纤维回收有潜力减少资源需求和排放，相对于线性生命周期路线而言。尽管如此，这些好处在这里没有量化；需要进行基于情景的生命周期评估和技术经济评估。必须承认几个限制。首先，与耐久性相关的性能，特别是抗起球性，目前限制了服装的最终用途，并与延长寿命的目标相冲突；这强调了通过纱线参数优化、织物结构选择和兼容的整理来进行有针对性的缓解的必要性。其次，回收含量的上限（30%）反映了机械回收和所使用的特定纺纱路线的短纤维和变异性限制。第三，可扩展性的声明受到缺乏报告的工业物料平衡（产量/损失率）以及关注工业后而非消费后原料的限制。因此，未来的工作应重点关注：(i) 实施抗起球策略并重新评估耐久性；(ii) 使用简单指标（如材料类型计数、修剪质量分数和拆卸时间）量化生态设计结果；(iii) 通过改进的纤维保存和替代纺纱或混合架构来评估更高的回收含量；(iv) 进行生命周期评估和技术经济分析，以量化环境和经济权衡，并支持循环多棉价值链的决策制定。

作者贡献声明
Duarte Brás：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论、调查。
Ana Catarina Silva：撰写——原始草稿、可视化、监督、软件、方法论、调查、形式分析、概念化。
Tiago Azevedo：撰写——审阅与编辑、方法论、调查、形式分析、数据管理。
Raúl Fangueiro：撰写——审阅与编辑、验证、资源管理、项目行政、资金获取。
Diana P. Ferreira：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源管理、项目行政、资金获取、概念化。

资金支持
本项工作得到了IAPMEI-竞争力与创新机构、I.P.和Programa de Recupera??o e Resiliência (PRR)通过Lusitano项目（项目编号）的财政支持。C644933224-00000043 – 《葡萄牙纺织和服装行业企业创新动员议程》。作者还感谢葡萄牙科学技术基金会（FCT）以及“复苏与韧性计划”（Programa de Recupera??o e Resiliência, PRR）提供的财政支持，该支持来自欧盟的“NextGenerationEU”项目，具体通过2C2T纺织科学技术中心（Centre for Textile Science and Technology）的战略项目UID/00264/2025和UID/PRR/00264/2025（相关链接：https://doi.org/10.54499/UID/00264/2025 和 https://doi.org/10.54499/UID/PRR/00264/2025）。