研究人员为克服棉/氨纶包芯纱（cotton-elastane core-spun yarns）在动态反复载荷下易发生袋形变形（bagging）的局限性，评估了两种半弹性长丝——T400（一种PET/PTT双组分长丝）和聚对苯二甲酸丁二醇酯（polybutylene terephthalate, PBT）作为替代芯材的可行性。考虑到可持续性与成本约束，部分原生棉被替换为源自消费者前纺织品废料的再生棉。同时，混纺中加入部分有色Ecovero（一种新型环保粘胶纤维），以改善纱线的可纺性与混色外观。最终，研究人员使用不同比例的再生棉、Ecovero与原生棉混纺，分别以氨纶、T400和PBT为芯丝，制备了一系列包芯纱。研究人员评估了这些纱线的结构特征、拉伸性能、塑性变形（plastic deformation）及应力松弛（stress relaxation）。结果表明，基于氨纶的纱线表现出最高的塑性变形与应力松弛，其次是PBT，而T400的数值最低。具体而言，在再生纤维含量为20%时，T400包芯纱的塑性变形比氨纶基纱线低约68%，应力松弛低约37%。统计分析证实，再生棉含量与芯丝类型对纱线性能具有决定性影响。
纺织业是全球经济的重要支柱。1990年代快时尚的兴起加速了向大批量、低成本、潮流驱动型服装生产的转变，以满足快速变化的消费者偏好。为满足对廉价服装日益增长的需求，生产规模在过去几十年显著扩大。然而，这种模式加剧了纤维过度消耗，并助长了普遍的“一次性”文化，给整个价值链带来了更大的环境压力。全球约85%的服装最终被填埋或焚烧，凸显了可持续性挑战的严峻性。因此，纺织业被广泛认为是环境负担最重的行业之一，造成了水、空气和土壤污染，消耗大量水、能源、土地和原材料，并产生大量消费者前（pre-consumer）和消费者后（post-consumer）废弃物。
孟加拉国是全球纺织和服装制造中心，目前是世界第二大成衣（ready-made garments, RMG）出口国。在服装生产过程中，约有12–15%的面料作为裁剪碎料（cut clips）在裁剪台上损失，通常被称为消费者前废料。尽管孟加拉国的纺织回收行业正在扩大，但目前仅回收了估计每年产生的400,000–577,000吨消费者前纺织废料中的约5–7%。该国生产服装级再生纤维和纱线的能力有限，年产量约为18,000–24,000吨。尽管如此，这些再生纤维正越来越多地被纳入包括弹性包芯纱在内的多种纱线产品中，反映出向更循环材料利用的渐进转变。
包芯纱被广泛用于生产时尚的弹力牛仔布（stretch denim），因其提供了所需的弹性、耐用性，同时保持了贴身舒适的穿着感而广受欢迎。牛仔布制造通常依赖较粗的棉纱，导致大量棉纤维消耗。棉花是最重要的纤维作物之一，贡献了全球近40%的纤维产量。然而，棉花不能被视为完全可持续的，因为传统种植涉及高用水量、大量使用农药和化肥，并导致土壤退化、环境污染和温室气体排放。此外，许多棉花产区持续存在社会和劳工问题，而后续加工进一步放大了环境足迹。鉴于棉花价格上涨以及传统棉花生产带来的环境和社会负担，在弹性包芯纱中使用再生棉是一种更可持续且经济可行的替代方案。然而，对消费者前棉织物进行机械撕裂回收产生的再生纤维含有大量短纤维和棉结（neps），这使纺纱生产线上的牵伸操作（包括并条机、粗纱机和细纱机）变得复杂。因此，需要相当比例的原生纤维作为载体纤维，才能使用传统环锭纺纱系统将再生纤维加工成纱线。
氨纶（spandex/elastane）纤维，例如聚氨酯基弹力长丝如Lycra®、Creora®和Inviya® I-300，具有极高的伸长率（∼500–700%）和近乎完全的回弹性。尽管如此，由包含这些长丝的包芯纱制成的织物经常表现出不理想的尺寸变形，通常被称为织物生长（fabric growth）或袋形变形（bagging）。袋形变形是指服装在穿着过程中，因局部区域在反复应变下未能完全恢复而产生的永久性或半永久性凸起、下垂或形状丧失，通常出现在膝盖、手肘、臀部、口袋和腰带等部位。为缓解袋形变形问题，最近有研究将T400®和PBT（聚对苯二甲酸丁二醇酯）等多股长丝纤维作为芯材引入纱线中，主要作为双芯纱（dual-core yarns）。T400是一种双聚酯（PTT/PET）双组分长丝，结合了赋予柔软弹性和回弹性的聚对苯二甲酸丙二醇酯（polytrimethylene terephthalate, PTT）与提供强度、耐用性和尺寸稳定性的聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate, PET）。其并列或皮芯结构在两种组分之间引起差异收缩，产生内在的弹性和回弹性。该结构减少了许多通常与含氨纶纱线相关的织造、染色和后整理复杂性。PBT是一种由1,4-丁二醇和对苯二甲酸或对苯二甲酸二甲酯合成的热塑性聚酯。其芳香环赋予其刚性、热稳定性和强度，而丁烯段则提供柔韧性和弹性。PBT的这种结构提供了强度、弹性和耐化学性的平衡组合，尽管其回弹性低于T400或氨纶。ECOVERO™是兰精（Lenzing）公司开发的一种新型环保粘胶纤维，旨在提供比传统粘胶更环保的替代品。它是一种可持续生产的粘胶纤维，来源于经森林管理委员会（Forest Stewardship Council, FSC）和森林认证体系认可计划（Programme for the Endorsement of Forest Certification, PEFC）认证的可再生、负责任管理的木材来源。其制造路线具有显著改善的环境性能，与传统粘胶生产相比，用水和能源减少高达50%，碳排放减少约一半。闭环系统还回收和再利用大部分化学品和水，显著限制了污染，使Ecovero成为负责任生产人造纤维素纤维的领先典范。该纤维手感柔软光滑，透气性和吸湿性极佳，具有与高品质粘胶相当的优雅悬垂性。
使用消费者前织物废料中的再生棉和氨纶芯生产弹性包芯纱的可行性已被Uddin和Rahman（2024）首次证明。然而，目前仍缺乏对将再生棉应用于弹性包芯纱的系统性研究，特别是在整合环保再生纤维素纤维（如Ecovero）和多种芯丝类型的多组分纱皮结构中。现有研究主要关注传统的棉基弹性纱线或非弹性纱线中的再生纤维，而诸如可纺性、结构完整性和性能优化等关键挑战在很大程度上尚未解决。为填补这些空白，本研究通过整合再生棉（辅以原生棉和有色Ecovero）开发了可持续的弹性包芯纱。有色Ecovero具有双重功能：它作为载体纤维增强了工艺稳定性，并为纱线赋予了混色（mélange）外观。该研究进一步系统评估了不同芯丝（如全弹性的氨纶和半弹性的T400与PBT）对纱线关键结构参数和性能的影响，最关键的是与这些纱线制成的弹力织物袋形变形倾向高度相关的塑性变形和应力松弛。这种整合方法旨在为优化再生纤维在高性能弹力混色纱线中的应用以用于牛仔布领域建立一个稳健的框架。
在材料方面，本研究使用不同比例的原生棉、再生棉纤维和Ecovero粘胶作为纱皮组分生产包芯纱。实验设计旨在开发在保持所需拉伸强度并最小化纱线瑕疵的同时，掺入最大可行比例再生棉的弹性包芯纱，以确保其适用于商业织机的织物生产。由于再生棉和Ecovero纤维的拉伸强度均显著较低，为确保足够的纱线强度，在所有混纺组成中，原生棉的比例固定为50%。在剩余50%的混纺中，再生棉和Ecovero的比例互换变化，同时保持其总份额恒定为50%。具体而言，从再生棉含量10%开始，混纺比例为再生棉:Ecovero:原生棉 = 10:40:50，生产了带有氨纶芯、PBT芯、T400芯和无芯（参考纱线）的包芯纱。随后逐步将再生棉含量增加到20%、30%和40%，产生相应的混纺比例为20:30:50、30:20:50和40:10:50。当再生纤维含量超过40%时，粗纱机（Simplex）上频繁出现粗纱断裂。由于粗纱在从粗纱眼（flyer eye）向筒管（bobbin）行进时，高再生棉混纺中过度的短纤维无法承受粗纱眼和筒管之间施加的应力，因此研究将最大再生棉含量限制在40%。
纱线样品的制备包括混棉与加工流程。混合纤维首先送入混棉开棉机（MBO）的棉箱给棉机，然后送入精细除杂机（fine cleaner）。清洁开松后的纤维通过风管（chute feed）送至梳棉机。梳理后的生条（card sliver）经过三道并条机（draw frame）进行进一步的纤维混合和条子质量均匀度均衡。所有并条工序采用8根并合（8-doubling）。第二和第三道并条机配备了自调匀整装置（autoleveller）。此过程最终生产出均匀的末道并条条子（finisher D/F sliver），其中的纤维均匀混合。使用粗纱机（Simplex）从末道并条条子生产出至少10根粗纱。随后将这些粗纱放置在配有额外芯丝喂入装置的环锭纺纱机（ring-spinning frame）上，以生产包芯纱。使用氨纶、PBT和T400作为芯丝，在相同纺纱条件下生产了20 Ne（29.525 tex）纱线，捻系数（TM）为4.5。使用Amsler包芯纱附加装置，该装置具有高精度芯丝定中、稳定的长丝监测和断裂时自动停粗纱功能。氨纶的张力牵伸（tension draft）为3.2，而PBT和T400为1.03。为进行参考和对比分析，也在相同纺纱条件下生产了相同混纺比例但无芯丝的纱线。纺纱车间温度和相对湿度分别维持在（32 ± 2） °C和（50 ± 2）%。
在纤维与纱线表征方面，纱线条干不匀率（yarn unevenness）通过质量变异系数（CVm%）进行评估，纱线疵点（imperfections）使用疵点指数（IPI，即每公里纱线中粗节（+50%）、细节（-50%）和棉结（+200%）的总和）表示。CVm%、IPI和纱线毛羽（hairiness）的测量使用Uster® Tester 6进行。每项纱线参数均按照ISO 16549:2021(E)标准测量十次。纱线拉伸性能使用Tenso-Lab 4万能拉力仪按照EN ISO 2062:2009中描述的恒定伸长速率法进行评估。纱线的尺寸稳定性（即在使用过程中经受反复载荷时保持结构完整性的能力）通过在Titan 10万能试验机上进行循环动态载荷测试来评估，依据ISO EN 14704–3标准。
研究结果与讨论部分分析了弹性再生棉/Ecovero/原生棉混纺纱线的外观、不同芯丝对纱线不均匀性和疵点、毛羽特性、强力与伸长率的影响，以及在循环载荷下的行为。
研究开发了使用再生棉、Ecovero和原生棉，并结合氨纶、PBT和T400三种不同弹性芯丝的三组分弹性包芯纱。由于有色Ecovero的加入，纱线呈现出类似混色的外观，具有对应于黑色Ecovero纤维在混纺中相对含量的不同色泽变化。系统地调整黑色Ecovero的比例，可以生产出多种混色纱线，包括本白、灰色和炭灰色等广泛色度范围。
纱线条干不匀率（CVm%）和疵点指数（IPI）随着再生棉含量的增加和Ecovero含量的减少而成比例增加，无论使用何种芯丝类型。研究使用AFIS（Advanced Fiber Information System）分析了纤维结构，发现再生棉中较短的纤维长度、较低的长度均匀性指数以及较高含量的短纤维和棉结是导致CVm%和IPI值升高的主要因素。在纺纱过程中，特别是并条和粗纱阶段，这些短纤维和棉结会干扰平滑的牵伸和均匀的纤维分布，导致纤维间抱合力差，纱体外露纤维端增多，最终导致纱线条干不匀和疵点增加。与无芯纱相比，包芯纱表现出略高或相当的CVm值，这归因于包芯纱的结构复杂性。在三种芯丝中，氨纶芯包芯纱的CVm值相对高于PBT和T400芯纱，而IPI值则低于后者，这与其高弹性有助于匀整局部粗细差异有关。
纱线毛羽同样随再生棉含量增加和Ecovero含量减少而增加。再生棉纤维因机械撕裂回收而显著变短，包含大量短纤维末端和碎片，这些纤维在纺纱加捻过程中抱合力差，导致纤维端突出纱体，增加了毛羽。含有氨纶芯的纱线毛羽高于PBT和T400芯纱，因为氨纶在纺纱时经历大幅拉伸，其急剧回缩对纱皮纤维产生向外作用力，增加了纤维突出。
在强力和伸长率方面，无芯纱始终表现出比包芯纱更高的断裂强力（tenacity）和更低的断裂伸长率。在包芯纱中，断裂强力遵循芯丝本征强度（氨纶8.0 g/tex， PBT 28 g/tex， T400 33 g/tex）的顺序，即T400 > PBT > 氨纶；而断裂伸长率则与芯丝的固有伸长性（氨纶 ∼570%， PBT ∼45%， T400 ∼25%）成比例。随着再生棉含量增加，所有纱线的断裂强力和伸长率均呈下降趋势，这主要归因于再生棉较短的平均纤维长度和较高的短纤维含量，导致纤维间重叠减少、摩擦力和机械锁定减弱、抱合力降低。
研究人员还通过回归建模和方差分析（ANOVA）定量评估了再生棉含量和芯丝类型对纱线性能的影响。所有模型的决定系数（R²）均高于90%，表明模型具有良好的预测能力。ANOVA结果证实，再生棉含量和芯丝类型对CVm、IPI、毛羽、强力和伸长率均具有显著影响（p < 0.05），其中再生棉含量是影响大多数性能的主导因素。
为了评估纱线的袋形变形倾向，研究进行了循环载荷和伸长测试。塑性变形定义为第5个循环后伸长率与第1个循环后伸长率的差值占第1个循环后伸长率的百分比；应力松弛定义为在恒定载荷下保持1分钟后载荷的衰减百分比。测试结果表明，在芯丝类型中，氨纶芯纱表现出最高的塑性变形和应力松弛，PBT芯纱居中，T400芯纱最低。这归因于T400的双组分（PTT/PET）结构赋予其弹簧般的弹性，使其具有卓越的回弹性和尺寸稳定性。此外，随着再生棉含量增加，所有芯纱的塑性变形和应力松弛均逐渐升高，这是因为再生棉结构中短纤维和棉结增多，降低了纤维与长丝间的抱合力，增加了应变下的纤维滑移和永久重排。
讨论部分总结指出，本研究开发的再生棉/Ecovero/原生棉混纺纱线中，通过调节有色Ecovero的比例可获得多样化的混色外观。研究的局限性在于，在实验设计中再生棉含量的增加伴随着Ecovero含量的成比例减少，因此无法区分这两种纤维对纱线性能的独立影响。此外，研究仅通过测量塑性变形和应力松弛来评估纱线水平的袋形变形行为，要对实际牛仔布应用中的袋形变形性能得出确切结论，仍需进行织物和成衣层面的直接评估。
结论部分翻译如下：
研究证明了一种通过将传统氨纶替换为半弹性长丝（T400和PBT）来生产高性能包芯纱的可持续方法。虽然基于氨纶的纱线具有高弹性，但它们更容易发生塑性变形和应力松弛，表明在循环载荷下具有更高的残余变形。相比之下，在所研究的芯丝类型中，T400包芯纱表现出最低的塑性变形和应力松弛，表明其具有优越的弹性回复和尺寸稳定性，而PBT表现中等。此外，用再生棉和Ecovero粘胶部分替代（50%）原生棉，使得在环锭纺纱系统中能够开发出纱线，即使再生棉含量高达40%，也能保持织造应用所需的机械强度。使用一般线性回归模型和方差分析的统计分析证实，再生棉/Ecovero比例和芯丝类型对纱线性能具有显著影响（p < 0.05）。所开发的模型表现出高预测精度（R² > 90%），表明在描述和预测纱线性能方面具有很高的可靠性。总体而言，研究结果证实，包含再生棉和可持续Ecovero纤维的基于T400的包芯纱，为弹力牛仔、运动服和休闲装应用提供了一种可行且更耐用的替代方案，在有效抑制袋形变形的同时推动了材料的可持续性。然而，本研究仅限于通过测量塑性变形和应力松越来评估纱线水平的袋形变形行为。因此，需要在织物和成衣层面进行进一步研究，以确认在牛仔布应用中的实际袋形变形性能。
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