《Results in Engineering》：Performance evaluation of ultrasonic assisted leather bonding for improved durability and sustainability
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皮革产品通常采用胶粘剂粘接和缝合方法制造。这些方法存在诸多挑战，例如厚缝线导致柔韧性降低、表面缺陷影响美观、生产时间长以及制造过程中能耗和化学品消耗较高。为解决这些局限性，本研究探讨了超声辅助无胶粘接作为连接铬鞣皮革的可持续替代方案。目的是评估焊接时间（wel
皮革产品通常采用胶粘剂粘接和缝合方法制造。这些方法存在诸多挑战，例如厚缝线导致柔韧性降低、表面缺陷影响美观、生产时间长以及制造过程中能耗和化学品消耗较高。为解决这些局限性，本研究探讨了超声辅助无胶粘接作为连接铬鞣皮革的可持续替代方案。目的是评估焊接时间（welding time，WT）、延迟时间（delay time，DT）和保压时间（holding time，HT）对粘接皮革拉伸性能的影响，并利用田口L9（L9）实验设计确定最佳工艺窗口。粘接试验在1 mm厚皮革上进行，通过拉伸测试和扫描电子显微镜/能量色散X射线光谱（SEM/EDS）分析对粘接接头进行表征，以评估其力学性能和界面粘接特性。结果表明，WT是影响接头强度的最关键的工艺参数。在WT=0.4 s、DT=0.6 s、HT=0.2 s条件下获得最高实验拉伸强度2.1175 MPa，而田口优化法预测在WT=0.4 s、DT=0.2 s、HT=0.4 s条件下最佳拉伸强度为1.709 MPa。SEM观察显示高强度接头存在致密的纤维互锁和界面固结。EDS分析证实了无胶粘接的形成，且焊接界面无显著成分变化。所提出的方法为鞋类、时尚配饰、汽车内饰、家具及新兴可穿戴应用中的皮革产品提供了一种有前景的可持续连接解决方案。
**论文解读：超声辅助皮革无胶粘接的性能评估与可持续制造潜力**
**研究背景、问题与意义**
皮革因其独特的胶原纤维结构、柔韧性与舒适性，被广泛应用于鞋类、时尚配饰、汽车内饰、家具及新兴可穿戴设备等领域。传统皮革连接主要依赖胶粘剂粘接和缝合方法，这些工艺存在明显局限：胶粘剂粘接涉及挥发性有机化合物（VOC）排放、固化时间长、难以回收且降低产品生物降解性；缝合则导致针孔削弱材料强度并影响防水性。此外，激光切割等热加工方法会产生热影响区（HAZ）、碳化及气体排放，损害表面完整性和可持续性。随着皮革工业向绿色、智能、可持续制造转型，迫切需要开发低能耗、少化学品甚至无化学品的连接技术。超声焊接作为一种高效、清洁的加工方式，通过局部高频振动产生摩擦热实现无胶粘接，具有能量集中、周期短、保留材料原生特性的优势。然而，超声辅助皮革无胶粘接的系统性研究极为有限。为填补这一空白，Vasanth Swaminathan、Ismail Chekalil、Ammar Alsheghri、Mohamed Fayas Saffiudeen、Sikandar Khan、Mourad Nouioua等研究人员（来自沙特阿拉伯法赫德国王石油矿产大学智能制造与机器人跨学科研究中心）开展了超声辅助无胶粘接铬鞣皮革的研究，旨在评估关键工艺参数对粘接强度的影响并优化工艺窗口。该论文发表于《Results in Engineering》。
**主要关键技术方法**
研究人员采用田口L9（L9）正交实验设计系统评估三个工艺参数（焊接时间WT、延迟时间DT、保压时间HT）的影响。使用CHEERSONIC S20-WM5000超声系统（20 kHz、5000 W）对1 mm厚铬鞣皮革进行粘接实验。通过拉伸测试（n=3）获取力学性能，采用扫描电子显微镜（SEM）与能量色散X射线光谱（EDS）分析界面微观形貌与元素分布。基于田口信噪比（S/N比）分析确定最优参数组合，并通过方差分析（ANOVA）评估各因素贡献。确认实验验证预测模型的可靠性。
**研究结果**
**3.1 微观结构分析**
SEM横截面观察显示，超声焊接缝处胶原纤维网络致密化并形成桥梁状互锁结构，与周围未受影响的多孔区域形成鲜明对比。高强度接头（如实验6）呈现密集纤维互锁、连续桥接和极少界面孔隙；而低强度接头（如实验9）存在大范围界面孔隙和纤维拔出，表明粘接质量直接受界面形态影响。EDS点分析和元素映射显示，焊接界面由O（39-74 wt%）、Cr（10-37 wt%）、S（8-20 wt%）、Na、Ca、Cl等组成，与铬鞣皮革基体一致，无粘接剂残留或化学隔离层，证实了无胶粘接机制来源于机械互锁与局部热效应。
**3.2 拉伸测试**
拉伸测试表明，WT是影响接头强度的最关键参数，0.4 s时获得最高平均S/N比（约4.5 dB）。实验6（WT=0.4 s, DT=0.6 s, HT=0.2 s）达到最大拉伸强度2.1175 MPa，而实验9（WT=0.5 s, DT=0.6 s, HT=0.3 s）仅0.3973 MPa。ANOVA显示WT的二次项（A2）具有较高F值（10.76），表明强度随WT呈非线性响应：过低能量导致纤维固结不足，过高则引起胶原结构过度压缩和损伤。DT和HT的影响相对较弱，且HT表现出非单调效应。3D响应曲面分析了参数交互作用，指出中等WT与低DT组合可提高强度。
**确认实验与优化**
田口优化预测最佳组合为WT=0.4 s、DT=0.2 s、HT=0.4 s，预测拉伸强度为1.709 MPa。确认实验显示实际最大强度2.1175 MPa落于95%置信区间（±4.718 MPa）内，验证了田口方法的有效性。研究人员建议将实验6（WT=0.4 s, DT=0.6 s, HT=0.2 s）作为工业放大的基准。
**讨论与结论**
本研究表明，超声辅助无胶粘接可在1 mm厚铬鞣皮革上形成薄而洁净的接头，避免了胶粘剂使用，减少化学品消耗与加工复杂性。焊接时间是最关键的参数，存在最优能量窗口（约0.4 s）。高强度接头的SEM微观特征为致密纤维互锁与界面固结，EDS证实无外来粘接成分。田口L9方法成功预测了最佳工艺条件，且实验验证一致。该方法适用于鞋类、时尚、汽车内饰等需要薄、柔、耐久接头的领域，同时支持可持续制造目标（SDG-7和SDG-12）。结论部分翻译如下：
本研究利用田口L9实验设计，研究了超声辅助无胶粘接1 mm厚铬鞣皮革的可行性。系统评估了焊接时间、延迟时间和保压时间对拉伸性能的影响，并通过SEM和EDS分析探讨了粘接机制。基于实验结果得出以下关键结论：超声辅助粘接成功制得薄、洁净、无胶粘接接头，展示了作为传统缝合与胶粘剂粘接替代方案的潜力；焊接时间是最影响拉伸强度的工艺参数，0.4 s时接头性能最佳；最高实验拉伸强度2.1175 MPa（WT=0.4 s, DT=0.6 s, HT=0.2 s），最低0.3973 MPa（WT=0.5 s, DT=0.6 s, HT=0.3 s）；SEM显示高强度接头特征为致密纤维固结、广泛纤维互锁和极少界面孔隙；EDS和元素映射证实粘接界面无粘接剂残留或化学层；田口优化预测最佳组合WT=0.4 s, DT=0.2 s, HT=0.4 s（预测强度1.709 MPa），确认实验在95%置信区间内一致。总体而言，超声粘接通过局部界面固结提供耐久接头，减少化学品消耗和加工复杂性，为鞋类、时尚、汽车内饰、家具和可穿戴设备等应用提供了清洁、节能、可持续的皮革制造路径。未来研究应优先评估其长期耐久性和疲劳性能，并探索不同厚度和鞣制类型的工艺参数，以及集成闭环自动化用于实时质量控制。
