CS259876B2

CS259876B2 - Monofilament or bifilament string for sports rackets

Info

Publication number: CS259876B2
Application number: CS851617A
Authority: CS
Inventors: Francis S Smith; Bruce M Mcintosh; Nigel W Hayman; Scott Davidson; Yorkshire North
Original assignee: Ici Plc
Priority date: 1984-03-09
Filing date: 1985-03-07
Publication date: 1988-11-15
Also published as: EP0148793A3; NO167440C; GB8611173D0; FI850921A0; EP0148793A2; GB2176816B; ES541115A0; EP0148793B1; FI83731C; AU573789B2; DE3579803D1; DE3579702D1; CA1243799A; HK50889A; FI850921L; PT80080A; CS161785A2; GB2155515B; GB2155515A; GB2176816A

Description

Vynález se týká strun pro sportovní rakety, vytvořených ze syntetického termoplastického polymerního materiálu.

Struny pro tenisové, badmintonové a podobné rakety musí mít specifické vlastnosti, pokud jde o odolnost vůči tahu a vůči prodloužení pod krátkým namáháním nebo při opakovaném namáhání; za těchto podmínek mají rychle a úplně nabýt opět své původní délky; konečně mají mít dobrou odolnost za různých podmínek použití, zejména odolnost proti otěru, odolnost proti mačkání nebo zauzlování, odolnost vůči různým atmosférickým činitelům, jakož i vůči různým namáháním, kterým jsou vystaveny při jejich vsazování do raket a pod.

Velmi dlouho se používá strun ze zvířecího střeva pro vysoce jakostní tenisové i ostatní rakety, které se ukázaly úplně přijatelné z hlediska pevnosti, omaku a herních vlastností, avšak mají nepatrný odpor vůči vlhkosti, která zkracuje jejich herní životnost, když vlhké podmínky převládají. Pružná návratnost (rychlý a úplný návrat к původní délce po krátkém namáhání nebo opakovaných namáháních), jsou však u přírodního střeva znamenité.

Kromě nylonového monofilu. který byl zhusta používán od roku 1944, jsou také známy z literatury struny zhotovené z jiných termoplastických polymerních materiálů.

USA pat. spis č. 4 300 343 se týká syntetického střeva vyrobeného kolektivním zakrucováním značného počtu monofilů z termoplastické pryskyřice při teplotě vyšší, než je bod měknutí této pryskyřice, čímž se vyrobí střevo, ve kterém monofily ve středové části střeva к sobě lnou tak, že nemůže být rozeznán nezávislý tvar každého monofilu a ve kterém monofily na obvodu střeva к sobě lnou, avšak podržují svůj nezávislý tvar. Monofily ve střevu jsou zhotoveny z fluorovodíkové nebo fluorouhlíkové pryskyřice, zejména vinylidenfluoridové pryskyřice, z polyamidové pryskyřice nebo z polyesterové pryskyřice.

Britský pat. spis č. 1 578 599 se týká raketové struny sestávající ze dvou až čtyř monofilů z orientovaného syntetického termoplastického polymeru, zejména z nylonu 66 nebo nylonu 6, přičemž každý monofil má titr 2 000 až 8 000 a alespoň dvě zploštělé strany, dvě z nich leží proti sobě po celé jejich délce, přičemž tyto monofily nemají v podstatě žádný individuální zákrut a jsou po délce struny zakrouceny a vázány skaním a každý monofil je vázán podél zploštělé strany alespoň jedním dalším monofilem.

Britský pat. spis č. 1 569 500 popisuje strunu pro sportovní rakety, sestávající z jádra o průřezu v podstatě kruhovém, sestávajícího z jednoho nebo několika monofilů ze syntetické pryskyřice, a z vnějšího šroubovicovitě navinutého nábalu z monofilů ze syntetické pryskyřice, která může být stejná nebo odlišná než materiál jádra ze syntetické pryskyřice, přičemž nábal je vytvo řen z monofilů o nejméně dvou odlišných průměrech uspořádaných tak, že podél délky struny se střídají povrchové části sestávající z monofilů o malém průměru a zvýšené povrchové části sestávající nejméně z jednoho· monofilu o větším průměru. Použité monofily mohou být z polyesteru, například z polyethylentereftalátu nebo z nylonu.

USA pat. spis č. 4 275 117 se týká raketové struny vytvořené tím, že se pod teplem zcelí kombinace protáhlých přástů z prvního a druhého termoplastického materiálu, přičemž první termoplastický· materiál má podstatně vyšší bod tání než druhý termoplastický materiál; struna se zcelí působením tepla postačujícího pro roztavení druhého materiálu, avšak nikoliv prvního materiálu a před zcelením má stlačené jádro sestávající alespoň z části z druhého materiálu a přes toto jádro opletený plášť, obsahující přásty jak z prvního, tak i z druhého materiálu. Nylon 66 mající teplotu tání přibližně 250 °C, může sloužit jako příklad termoplastického materiálu s vyšším bodem tání a terpolymer nylonu, mající bod tání přibližně 150 °C, může sloužit jako příklad termoplastického materiálu s nižším bodem tání.

USA pat. spis č. 4 328 055 se týká způsobu přípravy syntetického střeva, který sestává ze zvlákňování termoplastické pryskyřice z taveniny, zejména polyvinylidenfluoridové pryskyřice, polyamidové pryskyřice nebo polyesterové pryskyřice, a to na větší počet monofilů, který se kolektivně zakroutí, přičemž se monofily udržují na teplotě nižší, než je bod měknutí pryskyřice, čímž se obdrží střevo se strukturou, která sestává z jádrové části lnoucí к sobě roztavením a ze šnoubovicovité obvodové části monofilů lnoucích к tavenině.

USA pat. spis č. 4 391 088 se týká struny pro sportovní rakety, sestávající z jádra z přírodního střeva, pokrytého vlákenným aromatickým polyamidem, a impregnovaného povlakem přilnavé póly měrní pryskyřice, která je odolná vůči vodě a nepropustná pro páru, a která lne к vlákennému aromatickému polyamidu jádra střeva.

USA pat. spis č. 4 084 399 se týká syntetického střeva vytvořeného z uhlíkových vláken a s výhodou kombinovaného s organickými neb>o/a anorganickými vlákny.

Britský pat. spis č. 1 587 931 se týká zakrouceného plastu syntetických multifilních přízí, které jsou к sohě spojeny lepidlem teplem tvrditelným. Příze mohou být z nylonu, polyesteru nebo aromatického polyamidu.

Na vysvětlení vynálezu se podává následující teorie, i když její správnost není zaručena, takže vynález není na ni omezen.

Aby sportovní rakety, popřípadě jejich struny měly dobré herní vlastnosti, musí mít několik důležitých vlastností. Aby se od ra kety obdržela maximální síla, musí být kinetická energie míče, když narazí na raketu, absorbována strunami a pak navrácena do< míče s co nejmenší ztrátou. To vyžaduje, aby pružná deformace raketových strun se úplně zrestaurovala v době, kdy je míč ve styku se strunami, což je typicky 5 až 7 milisekund v případě tenisového míče a tenisové rakety. Rychlý a úplný návrat strun se dosáhne pouze tehdy, jestliže materiál strun jeví nízkou hysteresní ztrátu a má také vysokou hodnotu elastického' modulu, takže přirozená perioda vibrace strun je dostatečně vysoká, aby mohla nastat alespoň polovina vibračního cyklu v době období dotyků míče. Úspěch určitého strunového materiálu v tomto ohledu může být určen měřením restitučního koeficientu pro míč narážející na strunovou raketu. Při tomto pokusu se míč upustí z dané výšky na raketu, která je vodorovně upnuta. Měří se výška odskočení míče a restituční koeficient je definován jako c = Vh2/hi kde hi —výška, ze které se míč pouští te—výška odskočení.

Obě výšky se měří ve stejných jednotkách. Tento pokus měří množství energie, která se raketou po nárazu vrací do míče. Je zjištěno, že syntetické struny podle dosavadního stavu techniky jsou horší než přírodní struny při tomto způsobu měření a tento nedostatek je pociťován jako nedostatek síly hráče, když rakety používá.

Jinou důležitou vlastností raketové struny je ta, že hráč má být schopen „cítit“ náraz míče a posoudit návratnou sílu. Předpokládá se, že toho se nejlépe dosáhne, když křivka zatížení-prodloužení struny je v podstatě lineární nebo alespoň nejeví žádné změny ve směru zakřivení přes pracovní rozsah. Opět jsou dosavadní syntetické struny horší, neboť mnohé z nich nejen že mají nelineární charakteristiku, avšak také jeví křivky zatížení-prodtoužení ve tvaru S.

Dalším požadavkem pro raketovou strunu je, aby dynamická tuhost struny nevzrůstala podstatně, když vzroste střední napětí ve struně. Dynamická tuhost, jak bude definována níže, je měřítkem reakce struny na náraz míče. Mnoho syntetických strun jeví rychlý vzrůst dynamické tuhosti, když se zvýší napnutí strunového výpletu, takže ztuha vypletená raketa, které mnoho hráčů dává přednost pro možnost dobré kontroly míče, dává tvrdou a „prkennou“ reakci, když na ni míč narazí.

Ještě dalším požadavkem pro raketovou strunu je, že namá měnit své pružné vlastnosti, když se mění okolní teplota a vlhkost.

Dalším nedostatkem přírodního střeva je, že jeho herní živoitnost rychle klesá, když se snižuje průměr struny. Tenké struny jsou žádoucí, jelikož ztráta energie při nárazu míče na struny je menší u rakety vypletené tenkými strunami, než u rakety vypletené silnějšími a proto nepoddajnějšími strunami. Avšak tenké struny z přírodního střeva mají velmi krátkou životnost v důsledku malé odolnosti proti opotřebení.

Vynález má za úkol vytvořit strunu pro sportovní raketu, která by měla nejen znamenité herní vlastnosti, avšak také měla dobrou trvanlivost a rovnoměrné elastické vlastnosti.

Bylo· zjištěno, že tvar křivky zatížení-prodloiižení u struny má značný účinek na herní vlastnosti a že neočekávaně může být herní výkon značně zvýšen tím, že se sníží roztažnost struny při nízkých úrovních působícího zatížení. Vynález se tedy týká monofilní nebo multifilní struny pro sportovní rakety, která je vyznačena tím, že má celkový průměr v rozmezí 0,5 mm až 2,0 mm a sestává z termoplastického aromatického polyetheretherketonu, přičemž její prodloužení je pod 5 %, když se napětím v tahu nejméně 100 MPa působí podél osy struny, a dynamická tuhost, měřená při středním napětí v tahu 175 MPa je menší nebo yovna 1,150-násobku dynamické tuhosti měřené při středním napětí v tahu 80 MPa.

Napětí ve smyslu popisu vynálezu je definováno jako celkové osové zatížení působící na strunu, dělené celkovou průřezovou plochou struny.

Dynamická tuhost může být měřena za použití metody popsané H. Tiptonem v časopisu Journal of the Textile Institute 1955, sv. 46, str. T322.

Podle výhodného provedení vynálezu jsou jednotlivá vlákna struny к sobě připojena lepidlem. Avšak u tohoto provedení se předpokládá, že lepidlo nepřekročí 33 % hmotnosti struny.

Podle dalšího provedení vánlezu je svazek vláken ofoalen jiným vláknem nebo jinými vlákny.

Podle jiného provedení vynálezu je svazek vláken ovinut kolem jádra obsahujícího jedno nebo několik vláken ze stejného nebo odlišného materiálu.

Podle zvláštního provedení vynálezu je svazek vláken ovinut kolem jádra obsahujícího jedno vlákno ze stejného materiálu, které má větší průměr, než je průměr vláken ve svazku.

Struna může být také podle dalšího provedení obklopena pláštěm z ohebného materiálu..

Na obr. 1 jsou znázorněny křivky zatížení — prodloužení podle níže uvedených příkladů, jakož i podle dosavadního stavu techniky.

Na obr. 2 je znázorněno jedno provedení přístroje к provádění způsobu podle vynálezu. Dva identické kusy struny 1 a 2, určené к vyšetření, jsou připojeny vhodnými svěrami na volně zavěšenou armaturu 3 z měk259876

kého železa. Druhý konec struny 1 je připojen к masivní podpěře 7 a druhá struna 2 je vedena přes volně se otáčející kladku 5 a připojena к napínacímu závaží 4. Napínací závaží může být p0dle volby měněno·, aby se ve strunách vytvořilo· napětí mezi 80 a 175 MPa.

Armatura 3 se uvede do podélných kmitů (tj. do kmitů podélné osy strun) tím, že se přivádí střídavý proud vhodného proměnlivého kmitočtu z vhodného generátoru 10 к cívce 6, která obklopuje armaturu. Vibrace armatury se detekují gramofonovou vlastní přenoskou 8, jejíž hrot je lehce tlačen do styku s armaturou. Elektrický výstup z přenosky 8 se vede na osciloskop 11. Frekvence generátoru 10 střídavého proudu se seřizuje, až splývá s rezonanční frekvencí armatury, zavěšené na napnutých strunách 1,

2.

To se vyznačí maximálním signálem z přenosky 8, viditelným na stínítku osciloskopu. Tato frekvence F se pak měří buď pomocí vhodného měřicího přístroje zabudovaného do generátoru 10, nebo pozorováním frekvence signálu na stínítku osciloskopu. Dynamická tuhost S je definována rovnicí

S = F² 277² L M, kde.

F ~ rezoinanční frekvence v Hertzech L = délka každé struny v metrech, M = hmota armatury v kg.

Hodnoty L a M musí být nastaveny tak, aby 150<F<300 Hz.

Pro většinu raketových strun o průměru 1,4 až 1,5 mm jsou vhodné hodnoty L = 0,25 metru a M = 0,035 kg.

První měření dynamické tuhosti S se provede, když střední napětí vytvořené ve strunách napínacím závažím je 8L MPa. Je označena Sgo. Napínací závaží se tak zvýší, aby dalo napětí 175 MPa ve strunách a toto další určení hodnoty S se označí Si75. Bylo zjištěno, že pro dobrý výkon struny v raketě nesmí poměr S175/S80 překročit 1,150.

Výhodným rysem raketové struny je, že má křivku zatížení — prodloužení, která je buď v podstatě lineární až do prodloužení nejméně 10 %, nebo projeví-li se zakřivení, že modulus tangenty nemá nikde se zvětšit při zvýšení protažení.

Struna pro sportovní raketu podle vynálezu je z termoplastického aromatického polyetheretherketonu, tj. má opakovači jednotku —O—Ph—O—Ph—CO—Ph—, kde Ph je p-fenylen. Takový polymer může být snadno zvlákněn z taveniny a protahován pro vytvoření vhodných monofilů a multifilů — viz například Research Disclosure Item 21602, duben 1982.

Vynález bude ilustrován na následujících příkladech, na něž však vynález není omezen.

Příklad 1

Syntetický termoplastický polymer, polyetheretherketon o vnitřní viskozitě 1,0, měřeno při 25 °C v roztoku 0,1 g polymeru ve 100 ml koncentrované kyseliny sírové, byl roztaven při 370 °C a protlačován přibližně rychlostí 8 g/min otvorem o průměru 2 mm pro vytvoření monofilů. Monofil byl ochlazen foukáním vzduchu přes něj při rychlosti 1 m/s a ztuhlý monofil byl pak veden kolem dvojice zahřátých válců rotujících povrchovou rychlostí asi 2 m/min při teplotě 180 stupňů Celsia.

Z těchto válců bylo vlákno odtahováno studeným válcem se vnuceným vytahovacím poměrem 3:1a konečně navíjeno na cívku. Konečný průměr monofilů byl 1,5 mm. Mechanické (tažné) vlastnosti monofilů jsou podány v tabulce I společně s vlastnostmi srovnatelné dosavadní syntetické raketové struny OXITE-T. Monofil byl napnut do rakety za použití napětí v tahu přibližně 12 kg. Součinitel restituce byl měřen způsobem shora popsaným s výsledky znázorněnými v tabulce II. Křivka zatížení-protažení pružiny je nanesena na obr. 1. Herní zkoušky ukázaly, že raketa měla znamenitý výkon, se silou a omakem podobnými vlastnostem přírodního střeva a značně lepšími než u ostatních syntetických strun.

Příklad 2

Polyetheretherketon stejné vnitřní viskozity jako v příkladu 1, byl roztaven při teplotě 370 °C a protlačen víceotvorovou formou, obsahující 19 otvorů o průměru 0,75 milimetru. Celkové prosazení bylo přibližně 7 g/min a vlákna byla chlazena za účelem ztuhnutí, jak popsáno v příkladu 1. Po průchodu přes horký válec otáčející se rychlostí 2 m/min a zahřátý na teplotu 180 °C byla napnuta 2,75 krát a navinuta na cívku rychlostí 5,5 m/min. Výsledky tažení jsou podány v tabulce I a koeficient restituce v tabulce II. Křivka zatížení-prodloužení je nanesena na obr. 1. Herní zkoušky ukázaly, že struna byla daleko lepší, než běžné syntetické struny. Dynamická tuhost, měřená jak shora uvedeno, byla L ~ 0,025 m a M ·= — 0,035 kg, jevila poměr S175/S8O v hodnotě 1,131.

Příklad 3

Polyetheretherketon o stejné vnitřní viskozitě jako v příkladu 1, byl roztaven při 370 °C a protlačován přibližně rychlostí 16 gramů/min otvorem o průměru 2 mm pro vytvoření monofilů. Monofil byl ochlazen a ztuhlý monofil pak veden kolem dvojice zahřátých válců otáčejících se povrchovou rychlostí 29 m/min při teplotě 180 °C.

Z těchto válců bylo, vlákno; odtahováno studeným válcem s nuceným vytahovacím

259676 poměrem 2,8 a konečně navíjeno na cívku. Konečný průměr monofilů byl 0,44 mm.

Šest identických monofilů pak bylo rovnoměrně ovinuto kolem sedmého monofilů, zhotoveného podobně jako ostatní, avšak s konečným průměrem 0,47 mm, přičemž počet ovinů pro každý monofil byl 90 na jeden metr konečné sestavy. Ovinutá soustava pak byla vedena při napětí 6 kg po dobu 40 sekund přes deskový ohřívač při teplotě 200 °C pro vytvoření stabilní teplem tvrzené sestavy.

Tato- sestava byla potom vedena uspořádáním tlakové příčné hlavy protfačovače, povlékací výpusti a matric, zásobovanou termoplastickým polyuretanem s tvrdostí 90 podle Shoirea A., pevností v tahu 375 kg/ /cm^{1 2 3}, prodloužením 450 °/o a 100 % modulem o 75 kg/cm², 25 hmotnostních °/o konečné struny bylo vytlačeno jako opláštění kolem monofilové sestavy. Opláštění bylo nanášeno rychlostí 3 g/min, při teplotě 230 °C z otvoru matrice o průměru 1,47 mm. Vyrobený předmět při průměru 1,47 mm, protažení 45 % při 120 MPa a protažení při přetržení 24 %, jakož i poměr Sizs/Seo dynamické tuhosti v hodnotě 1,135.

Bod P v obr. 1 je bod definovaný napětím 120 MPa a prodloužením 5 %. Je patrno, že křivky zatížení-prodloužení strun podle vynálezu procházejí vlevo od tohoto bodu a mají modul tangenty, který se nikde nezvětšuje, když se zvětšuje prótažení.

Syntetické struny podle dosavadního stavu techniky mají křivky procházející vpravo od tohoto· bodu P a jeví oblasti, kde modulus tangenti se zvětšuje se zvýšeným prodloužením.

Tabulka I

	střední průměr mm	Prodloužení při 120 N/mm²	Prodloužení při přetržení
příklad 1 monofil	1,5	2,4%	23 %
příklad 2 multifil	1,2	4,2 %	25 %
příklad 3 multifil	1,45	4,5 %	24 %
dosavadní synteticko
struny OXITE-T	1,4	9,1 %	30 %
	Tabulka II

Restituční koeficient

příklad 1 monofil	0,682
příklad 2 multifil	0,682
dosavadní syntetické struny	0,648

Claims

1. Monofilní nebo multifilní struna pro sportovní rakety, vyznačující se tím, že má celkový průměr v rozmezí 0,5 mm až 2,0 mm a sestává z termoplastického aromatického polyethoretherketonu, přičemž její prodloužení je pod 5 %, když se napětím v tahu nejméně 100 MPa působí podél osy struny, a dynamická tuhost, měřená při středním napětí v tahu 175 MPa je menší nebo rovna 1,150 násobku dynamické tuhosti měřené při středním napětí v tahu 80 MPa.

2. Monofilní nebo multifilní struna .podle bodu 1, vyznačující se tím, že jednotlivá vlákna struny jsou к sobě připojena lepidlem.

3. Monofilní nebo multifilní struna podle bodů 1 a 2, vyznačující se tím, že svazek vláken je obalen jiným vláknem nebo jinými vlákny.

4. MonoWní nebo multifilní struna podle kteréhokoliv z bodů 1 až 3, vyznačující se iňn, že svazek vláken je ovinut kolem jádra obsahujícího jedno nebo, několik vláken ze stejného nebo odlišného materiálu.

5. Monofilní nebo multifilní struna po-dle bodu 4, vyznačující se tím, že svazek vláken je ovinut kolem jádra obsahujícího jedno vlákno ze stejného materiálu, které má větší průměr, než je průměr vláken ve svazku.

6. Monofilní nebo- multifilní struna podle kteréhokoliv z bodů 1 až 5, vyznačující se íím, že je obklopena pláštěm z ohebného materiálu.