STUDIE VYUŽITELNOSTI NANOMATERIÁLŮ PŘI KONSTRUKCI A VÝROBĚ SPORTOVNÍCH MÍČŮ

STUDIE VYUŽITELNOSTI NANOMATERIÁLŮ PŘI KONSTRUKCI A VÝROBĚ

SPORTOVNÍCH MÍČŮ

DIPLOMOVÁ PRÁCE

STUDIJNÍ PROGRAM: N3108 PRŮMYSLOVÝ MANAGEMENT

STUDIJNÍ OBOR: PRODUKTOVÝ MANAGEMENT – STROJÍRENSTVÍ

Autor práce Bc. Zuzana Burgetová Vedoucí práce Ing. Pavel Pokorný, Ph.D.

POČET STRAN TEXTU……….65 POČET OBRÁZKŮ……….35 POČET TABULEK………..15 POČET PŘÍLOH………...09

LIBEREC 2013

PROHLÁŠENÍ

Byla jsem seznámena s tím, že na mou diplomovou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.

Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé diplomové práce pro vnitřní potřebu TUL.

Užiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědoma povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.

Diplomovou práci jsem vypracovala samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím diplomové práce a konzultantem.

V Liberci dne 25. května 2013

...

Podpis

PODĚKOVÁNÍ

Především bych ráda poděkovala svému vedoucímu diplomové práce Ing. Pavlovi Pokornému, Ph.D. za odborné vedení a poskytování rad v průběhu zpracovávání diplomové práce. Další poděkování patří panu Ing. Ivanovi Dostálovi a panu Ing. Vladimíru Barnetovi za konzultace poskytnuté v podniku Gala a.s. Za poskytnuté rady a vstřícnou pomoc v průběhu experimentů bych chtěla poděkovat paní Ing. Bc. Evě Košťákové, Ph.D. a Ing. Ondřeji Novákovi, Ph.D..

Současně bych chtěla poděkovat své rodině za morální a materiální podporu, která mi umožnila studium na vysoké škole.

ANOTACE

Diplomová práce se zabývá studií využitelnosti nanomateriálů při konstrukci a výrobě sportovních míčů společnosti GALA a.s. V teoretické části je proveden průzkum dané problematiky, který zahrnuje analýzu výrobního procesu volejbalových a nohejbalových míčů, definici parametrů volejbalových a nohejbalových míčů. V této části diplomové práci je podrobně zhotovena literární a patentová rešerše na téma:

Nano v míči a Nano ve sportovních potřebách využívaných po celém světě. Praktická část obsahuje popis a výsledky zkoušek prováděných s použitím nanomateriálů při výrobě volejbalových a nohejbalových míčů. Na základě porovnání výsledků experimentu s poznatky získanými v teoretické části, jsou v samotném závěru práce navrhnuta možná teoretická východiska daného řešeného problému.

KLÍČOVÁ SLOVA:

Nanomateriál, volejbalový míč, nohejbalový míč, pevnost, rázová síla, odskok

ANNOTATION

The subject of this diploma thesis is dedicated to application of nanomaterials in the creation and development of sport balls manufacturing of GALA stock company.

The research part presents an overview of the subject matter, which includes the analysis of volleyball and football tennis balls manufacturing process and its characterization. This part is dedicated to a detailed literary and patent research considering using of nanotechnologies in the sport balls and other sporting goods manufacturing. The practical part contains the description and the results of test administration with applying of nanomaterials in ball manufacturing technologies for football-tennis and volleyball. On the basis of the comparison of experimental outcomes with theoretical research, the final part of the thesis presents theoretical preconditions for the solution of the problematics.

KEY WORDS:

nanomaterials, volleyball ball, football-tennis ball, durability, shock resistance, rebound.

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ:

T jemnost vlákna [tex; dtex]

tex jednotka jemnosti vlákna a.s. akciová společnost

FIFTA Mezinárodní nohejbalová federace

Federation International Footbaltennis Asociation FIVB Mezinárodní volejbalová federace

Federation International de Volleyball PA Polyamid

PVB Polyvinylbutyral

N newton

EU Evropská unie

ISO Mezinárodní organizace zabývající se tvorbou norem CNT nanotrubice

SEM Rastrovací elektronová mikroskopie GPa gigapascal

g gram

nm nanometr mA miliampér

ml mililitr min minuta mm milimetr

R rozpětí

S plocha [m²], bodový odhad směrodatné odchylky S² bodový odhad rozptylu

v variační koeficient [%]

medián

průměrná hodnota

 hladina spolehlivosti

 vlhkost [%]

 střední hodnota

 součet

OBSAH:

Úvod ... 10

1 Definice základních pojmů ... 11

2 Formulace problému a vymezení cílů práce ... 15

3 Přehled součastného stavu společnosti Gala a.s. ... 16

3.1 Sportovní míče Gala a.s. ... 17

3.1.1 Výroba volejbalového míče ... 19

3.1.2 Navinutí vlákna na vzdušnici ... 20

3.1.3 Výroba nohejbalového míče ... 20

3.1.4 Definice parametrů míče ... 22

3.1.4.1 Parametry míče ovlivněné návinem ... 23

4 Použití nanomateriálu při výrobě míčů ... 24

4.1 Patentová a literární rešerše ... 25

4.1.1 „Nano“ v míči ... 26

4.1.2 Nano ve sportovních potřebách ... 26

4.1.3 Příklady použití „nano“ ... 27

Praktická část ... 29

5 Experiment s využitím nanotrubic a nanovláken ... 29

5.1 Nanotrubice NC 7000 ... 29

5.2 Nanotrubice AQUACYL 3153 ... 31

5.3 Triton ^r X100 ... 31

5.4 Polyvinylbutyral Mowital 60T ... 32

5.5 Průzkum vláken u vrchového materiálu na volejbalovém míči ... 32

5.6 Elektrostatické zvlákňování polymeru ... 35

5.6.1 Zvlákňování na polyamidová vlákna (PAD) ... 35

5.7 Zvlákňování do návinu volejbalového míče ... 36

5.8.1 Nanotrubice v lepidle Revertex ... 39

5.8.2 Nanotrubice v lepidle KL ... 40

5.8.3 Nanotrubice v lepidle Helmitin ... 41

5.8.4 Nanotrubice v lepidle Latex ... 41

6 Výsledky zkoušek dle FIVB a FIFTA ... 42

6.1 Pevnost lepeného spoje ... 42

6.1.1 Volejbalové míče a nohejbalové míče s využitím CNT ... 43

a s nanovlákny – pevnost spoje ... 43

6.2 Hmotnost míče ... 49

6.3 Rázová síla ... 51

6.4 Výška odskoku ... 54

6.5 Obvod a kulatost ... 56

7 Vyhodnocení výsledků ... 58

Závěr ... 62

Seznam použité literatury: ... 63

Seznam obrázků: ... 65

Seznam tabulek: ... 67

Úvod

Vize nanotechnologie byla poprvé zveřejněna koncem 50. let americkým fyzikem Richardem Feynmanem. Byl první, který si položil otázku: „Když to umí příroda, proč ne my?“ Začátek 90. let tedy znamenal rozvoj mikrosystémů, genového inženýrství a především první úspěšné experimenty v oblasti technologii o nanometrických rozměrech.

V dnešní době, ve světě volejbalového sportu, působí na trhu velmi významní výrobci volejbalových míčů, mezi které patří například Gala, Mikasa, Molten. Míče mají všechny společnosti homologované (certifikované) pro hru v nejvyšších mezinárodních soutěžích. Kvalita výroby míče je vysoká, ale mohla by být i vyšší a to díky použití nanomateriálů ve výrobě sportovních míčů. Společnost Gala a.s. sídlící v Prostějově - Krasicích je považována za nejlepšího výrobce špičkových míčů v Evropě. Konkurenční společností se stala Japonská společnost Mikasa. Pro získání homologace míčů je pro firmu velmi podstatné splňovat předepsané parametry Mezinárodní volejbalové a nohejbalové federace (FIVB a FIFTA). Společnost Gala a.s.

si tedy položila otázku jako americký fyzik pan Feynman: „Když to umí příroda proč ne my, proč ne „NANO“?“

Předmětem diplomové práce je hledání způsobů, jak použít nanomateriály ve výrobě volejbalových a nohejbalových míčů společnosti Gala a.s. a návrh možných modifikací výroby, za účelem oprávněného marketingového využití nálepky „Nano“

a snaha zařadit se tak mezi velmi úspěšné firmy používající nanomateriály.

Teoretická část je zaměřena na podrobný rozbor problematiky volejbalových nohejbalových míčů společnosti Gala a.s.. Dále jsou tu popsány možnosti využití nanomateriálů ve sportovních potřebách a provedena detailní literární a patentová rešerše na téma: Nano v míči.

Praktická část diplomové práce je zaměřena na výrobu míčů s použitím nanomateriálu pomocí elektrostatického zvlákňování a mícháním nanotrubic do lepidel používaných ve výrobě volejbalových a nohejbalových míčů. Dle FIVB a FIFTA se míče podrobí zkouškám pevnosti lepeného spoje, hmotnosti, rázové síly a výšky odskoku míče.

1 Definice základních pojmů

Vlákno – je délkový útvar, charakteristický svoji délkou a tloušťkou. Tloušťka vláken je o několik řádů menší než délka vláken (d = 10^-6–10^-4m, l = 10^-6–10^-4m ).

U vláken přírodních je délka a tloušťka dána podmínkami růstu vláken. Tyto parametry jsou člověkem ovlivnitelné pouze nepřímo. Označení multifil je pro vlákno, které se skládá z nekonečných chemických vláken (filamentů), ty mohou být hladké nebo tvarované. Tex je jednotka používaná v textilním průmyslu pro jemnost vláken.

Jednotka 1 tex představuje 1 gram hmotnosti na 1 kilometr délky a řídí se vztahem (1.1). Pro chemická vlákna se nejčastěji jemnost vyjadřuje v desetinách texu, tedy ( dtex ) decitex (1.2). [1], [2]

(1.1)

^(1.2)

Polyamidová vlákna – jde o syntetická vlákna, která mají mezinárodní zkratku PA. Existuje řada typů polyamidových vláken. Za nejrozšířenější vlákna považujeme polyamid 6 a polyamid 6.6 (obr. 1). Rozdíl mezi těmito vlákny je v molekulové struktuře a v některých vlastnostech. Výroba těchto vláken je zvlákňováním z taveniny polymeru do šachty, kde můžeme získat různé profily průřezu vláken, včetně mikrovláken (vlákno jemnější než 1 dtex). [2]

Nanovlákna - jedná se o vlákna s průměrem menší než 1µm = 1000 nanometrů.

Nanovlákna mají velký měrný povrch, vysokou porózitu, malou velikost póru. Vyrábí se z polymerního roztoku nebo taveniny. Optickým mikroskopem jsou nanovlákna špatně pozorovatelná, protože jejich průměr je menší než vlnová délka světla. Lze je podrobně studovat pod elektronovým mikroskopem. [3,4]

Nanotrubičky – Uhlíkové nanotrubičky CNT jsou válcové struktury z atomů čistého uhlíku uspořádanými do šestiúhelníků, jejichž průměr je několik nanometrů.

Dva hlavní typy uhlíkových nanotrubic: jednostěnné (obr. 2) singlewall uhlíkové nanotrubičky (SWCNT), které jsou složené z jednoho válce s průměrem řádově 1nm a délce až několik milimetrů. A druhým typem jsou mnohostěnné (obr. 2) multiwall nanotrubičky

(

MWCNT), skládající se ze soustředných uhlíkových válců, s průměrem trubice 2 až 100 nm a délkou až několik desítek mikronů. Nejčastěji se nanotrubičky využívají jako výztuha nanostrukturních kompozitních materiálů. [4]

Obr. 2: Jednostěné a hmnohostěné nanotrubice.[16]

Elektrostatické zvlákňování – je proces, který využívá elektrostatické síly k výrobě jemných vláken z polymerní taveniny nebo z polymerního roztoku. Nabitá elektroda je spojena s polymerním roztokem. Nyní je roztok zvlákňován kapalinovou tryskou – liquid jet. V silném elektrickém poli vzniká mezi špičkou kapiláry a uzemněným kolektorem tzv. Taylorův kužel

vycházejí submikronová vlákna. Vlákna po odpaření rozpouštědla ztuhnou a vytvoří vlákennou vrstvu. [5,7]

Vzdušnice – slouží jako základní stavební jednotka míče. Jde o výrobek z přírodního kaučuku a butylkaučuku. Vzdušnice mají tři váhové kategorie: 65-75 g, 75-85 g, 110-120 g. V dnešní době Gala Prostějov zkouší novou hmotnostní skupinu 70-80 g. Hotový volejbalový míč má hmotnost 260-280 g. Jedná se o hmotnost vzdušnice, mulifilu (návinu), latexu, lepidla a povrchových panelů míče. [8]

Vulkanizace – pomocí ní se zpracovávají syntetické a přírodní kaučuky a jde o nevratný proces. Jedná se o chemickou reakci, při které vzniká makromolekulární síť.

Panely míče – jsou to díly vysekané do požadovaného tvaru a tvoří svrchní obal míče. Pro výrobu volejbalových míčů se používá syntetická polyuretanová useň. Je to netkaná textilie + polyuretanová lícová vrstva. [8]

Homologace – ověřuje vlastností výrobku z hlediska přípustnosti jeho použití.

Homologovaný výrobek má úřední souhlas pro používání za daným účelem.[8]

Rázová síla míče – je udávaná v [N] – newtonech. Je to síla, která působí na konstrukci míče v okamžiku, kdy dopadne míč na odrazovou plochu.

Odskok míče – je výška odrazu míče od podložky Kistler Force Plate (jde o speciální desku) při volném pádu vlastní váhou. Hodnoty jsou udávány v cm.

Tab. 1.1 Lepidla používána při výrobě sportovních míčů [9]

REVERTEX

 Disperze přírodního kaučuku

 Impregnační a pojící přípravek

 Použití: nohejbalové míče (lepení sáčkovou technologií)

 Směs lepidla: Revertex a síra 10:1(vulkanizační činidlo)

HELMITIN 37020

 Přírodní latex

 Mísitelný s vodou

 Použití: volejbalové míče

LATEX FA (Cis-Polyissopren-Latex)

 Přírodní latex

 Disperze mízy stromu kaučukovníků ve vodě (stabilizace amoniakem)

 Bílá kapalina

 Použití: volejbalové míče (při návinu)

KL 20

 Kaučukové lepidlo speciál nežloutnoucí

 Vulkanizační lepidlo

 Obsahuje technický benzín

 Mísí se s KL 21 a s tužidlem Härter farblos

 Härter farblos zvyšuje adhezi k mnoha materiálům, zlepšuje odolnost spoje proti zvýšené teplotě, tukům, změkčovadlům a mnoha rozpouštědlům.

 Použití: nohejbalové míče

MIKASA CORPORATION

Japonská firma MIKASA CORPORATION je jedním z nejstarších výrobců míčů na světě. V roce 1917 zahájila výrobu volejbalových míčů v japonském městě Hirošima, kde dodnes firma má svoji centrálu. Po uplynulých letech svůj sortiment rozšířila na všechny typy míčů pro kolektivní sporty. Míče MIKASA v odbíjené patří mezi absolutní špičku. Do roku 2012 patří mezi jediné výrobce oficiálních míčů FIVB pro vrcholové světové soutěže (Mistovství světa, Světová liga, Světová Grand Prix).

Dokonce jejich volejbalové míče byly vybrány jako oficiální hrací míče na olympijských hrách v roku 2004 i 2008. [8]

2 Formulace problému a vymezení cílů práce

Jedním z důvodů vyrábět sportovní a volejbalové míče s využitím nanomateriálů je snaha ještě zlepšit dobré vlastností sportovního míče, zvýšit výrobu a zisk. Podnik Gala a.s. v Prostějově je největším výrobcem a dodavatelem míčů v Evropě.

V minulých letech podnik Gala a.s vyráběl z 80-ti % sportovní míče a z 20-ti % se zabýval i výrobou boxovacích pytlů, batohů, sportovních tašek a nosičů pro zahrádkářskou techniku. V současné době výroba sportovních míčů zahrnuje 40%

z celkové výroby, převážně kvůli jiným firmám vyrábějící sportovní míče s dobrou kvalitou.

Cílem diplomové práce je použití nanomateriálů ve výrobě sportovních míčů, tak aby podnik Gala a.s. dosáhl vyšší jakosti a marketingových cílů. Dalším úkolem je pokusit se o zlepšení dobrých vlastností míče, především by to bylo vhodné v případě nohejbalových míčů, kde byla požadována větší pevnost z důvodu odlepování vrchových dílů. Z tohoto pohledu je významným požadavkem na nanomateriál zvýšit odolnost míče při dynamickém namáhání, což má vliv na snížení odlepování vrchových dílců během hry. Na základě uvedeného problému byly vymezeny následující cíle diplomové práce:

 Analýza součastného stavu řešeného problému ve společnosti Gala a.s.

 Patentová a literární rešerše na téma: Nanomateriály v míči

 Patentová a literární rešerše na téma: Nanomateriály ve sportovních potřebách

 Experiment s použitím nanotrubic v lepidle

 Experiment se zvlákňováním nanovláken do návinu míče

3 Přehled součastného stavu společnosti Gala a.s.

Firma Gala a.s je největším výrobcem a dodavatelem míčů v Evropě. Zabývá se výrobou špičkových volejbalových míčů, míčů pro házenou, nohejbal, basketbal, fotbal a dalších druhů sportovních míčů. Míče společnosti Gala a.s. jsou stanoveny pro profesionální, výkonnostní i rekreační sport. Vysokou kvalitu míčů potvrzují certifikáty mezinárodních federací FIVB a FIFTA. Zabývá se v poslední době i výrobou boxovacích pytlů, batohů, sportovních tašek a nosičů pro zahrádkářskou techniku.

Společnost Gala a.s. vyrábí především pro firmu Stihl, Decathlon, Scott&Tyco, armády zemí EU, Ministerstvo vnitra ČR a další. [10]

Společnost byla založena roku 1949 v Šumperku a vznikla reorganizací podniku KOZAK, kožedělné závody Klatovy. Původně se výrobní program zaměřoval na výrobu koženého, brašnářského a sedlářského zboží, ale z části také na zpracování umělých hmot a výrobu kufrů. Od roku 1951 začala firma Gala působit v Prostějově - Krasicích a sídlí tu dodnes. Z tohoto důvodu byl mateřský podnik v Šumperku zrušen a celá výroba se přesunula do Prostějova. Podnik měl přibližně 2500 zaměstnanců v 7 závodech po celé ČR. Se stávající ekonomickou krizí se postupně tyto závody transformovaly v jiné společnosti anebo zanikly. Během několika let svého působení společnost Gala mnohokrát změnila svoji výrobní produkci, která se ustálila na současném sortimentu výrobků. Hlavní pozornost této firmy je věnována především sportovnímu zboží. Stěžejní skupinou jsou volejbalové a nohejbalové míče. V roce 1996 došlo k privatizaci podniku a nyní je firma akciovou společností, která je ze 100 % vlastněnou rodinnou firmou Rega Přerov a.s. Gala od roku 2000 využívá systém managementu jakosti ISO 9001. V dnešní době akciová společnost Gala zaměstnává 250 zaměstnanců a sídlí se svým jediným závodem v Prostějově - Krasicích. [8,9]

Dnes Gala působí na trhu 60 let a 90 % produkce vyváží převážně do 30 evropských zemí jako např. Holandsko, Belgie, Maďarsko, Rusko, Polsko, Německo atd. [9]

3.1 Sportovní míče Gala a.s.

Výrobu sportovních míčů společnosti Gala lze rozdělit na míče šité a míče lepené.

Technologií šitím se vyrábějí především míče fotbalové, házenkářské, míče pro plážový volejbal. Míče lepené se vyrábí pro volejbal, nohejbal a národní házenou. Sportovní míče se dělí dle tří až čtyř kategorií z důvodu kvality použitých materiálů, nároků na životnost a technických požadavků.

Kategorie A zahrnuje míče, které mají homologaci mezinárodní federace a jsou určeny pro mezinárodní a národní soutěže bez omezení. Míče, které nemají příslušnou mezinárodní homologaci, ale splňují všechny předepsané parametry pro hru daného sportu a jsou určeny pro trénink v profesionálních oddílech a hru v nižších soutěžích, pokud tomu soutěžní pravidla nebrání.

Kategorie B zaštiťuje běžné tréninkové míče ve sportovních oddílech a ve školách. Turnaje a soutěže ve výkonnostním sportu, pokud tomu soutěžní pravidla nebrání. Míče nemusí striktně splňovat všechny předepsané parametry.

Do kategorie C spadají míče pro volný čas a rekreaci.

Tab. 3.1 prezentace jednotlivých typů míčů a jejich technologie výroby.[8]

Typ míče Kategorie Technologie výroby Počet panelů

Volejbal A…profesionální lepená 10, 18

B…trénink a škola lepená 10, 18

C…volný čas lepená 18

Plážový volejbal A…profesionální šitá 18

B…trénink a škola šitá 18

C…volný čas šitá, lepená 18

Fotbal A…profesionální šitá 32

B…výkonnostní šitá 32

C…rekreační šitá 32

D…speciální šitá, lepená 32

Nohejbal A…profesionální lepená 32

Basketbal A…profesionální lepená 8

C…gumové lepená 8 Házenkářské,

medicinální

A…profesionální šitá 32

B…trénink a škola šitá 32

C…speciální lepená 18

Velký úspěch zaznamenala Gala při výrobě volejbalových míčů. Během několika let prošla výroba řadou změn a inovací. Roku 1965 byly vyráběny ručně šité míče, ale z důvodu malé produkce byla produkce nahrazena technologií vulkanizace hlavních dílů usně s podlepem. Tím se úspěšně dosáhlo lepší kulatosti míčů a neprůtažnosti vrchních usní. V roce 1973 Gala zažila úspěch s míčem Premier, kdy FIVB rozhodla o jejím používání v nejvyšších světových soutěžích. Povrch míče byl tvořen nejkvalitnější hovězinou, která pak byla laminována dvojnásobnou vrstvou spojeného textilu. [9]

Další úspěch zažila Gala, když v roce 2000 uvedla na trh osmnáctidílný volejbalový míč pod názvem Pro – Line. Jeho povrch byl ze syntetické usně, který se používá dodnes. Míč byl homologován FIVB a oficiálně se stal nejpoužívanějším míčem v osmi zemích v Evropě. [9]

Jako poslední v řadě byl vyroben míč Pro Line – BV 5591 S (obr. 3), který má moderní 10 panelový povrch (registrovaný průmyslový vzor EU). Tento povrch zajišťuje velmi výborné letové schopnosti, výbornou viditelnost a rozlišitelnost při hře.

Vrchní materiál míče je vyroben z polyuretanu se speciální úpravou „dimple“

s dezénem golfového míčku. Míč je homologován a splňuje veškeré požadavky na hru.

Obr. 3: Pro – Line volejbalový míč [8]

Dle předpisů FIVB může Gala vyrábět míče pouze 8  18 – ti panelové.

zareagovala tím, že provedla designovou inovaci a vyrobila 20 – panelový míč. Bohužel tento výrobek neuspěl z hlediska výroby a předpisů FIVB. Již zmiňovaný 10 – panelový míč dosáhl největších úspěchů a byl oficiálně homologován.

3.1.1 Výroba volejbalového míče

 Panely míče vysekne stroj pomocí raznice. Vyseknutým panelům se provede okosení hran z důvodu namáhání hrany dílu na odlepení a estetického vzhledu.

Po okosení se provádí kompletace všech vyseknutých panelů pro výrobu míče.

 Vzdušnice je nafouknuta 24 hodin před tím, než dojde k návinu vláken na vzdušnici. Provádí se z důvodu odzkoušení propustnosti, a to tak, že pomocí kruhového měřidla se zkontroluje požadovaný průměr a po 24 hodinách se zkontroluje, zda je požadovaný průměr shodný. Pokud shodný není, vzdušnice se vyřadí. Nyní nastane proces navinutí vlákna na vzdušnici pomocí stroje, který otáčí vzdušnici tak, aby byla zajištěna rovnoměrnost návinu vláken po celém povrchu vzdušnice. Součástí stroje je nádoba s latexem, ve které dochází k impregnaci polyamidových vláken lepidlem těsně před navinutím na vzdušnici. Namáčení vláken je důležité z důvodu přilnavosti vláken k povrchu vzdušnice a mezi sebou. [8]

 Vzdušnice po navinutí vláken přechází k přístroji, který se nazývá měřič kulatosti. Jde o stroj, kde dochází k automatickému vyhodnocení průměru a kulatosti navinuté vzdušnice. Míči je tu přiřazena jakostní třída 1 - 3 . Přesáhne- li naměřená hodnota odchylky 3. jakosti, je výrobek zařazen jako zmetek. [8]

 Polotovar míče se ponoří do lázně s lepidlem a přebytečné lepidlo se odstředí.

 Připravené panely z vrchového materiálu se rozloží na pracovní plochu a stříkáním se rovnoměrně nanese potřebné množství lepidla. Z důvodů správné adheze lepidla se polotovary nechávají na určitou dobu zaschnout.

 Připravený polotovar se vloží do vyhřáté formy na určenou teplotu (je přesně stanovena). Pod tlakem a za stanovenou dobu se na polotovar proznačí tvar panelu míče. Před otevřením formy musí být vzduch z míče vypuštěn, aby nedošlo k deformaci tvaru míče. [8]

 Následuje polepení míče. Na naznačenou vzdušnici s návinem se ručně lepí jednotlivé panely hranami přesně k sobě. Takto hotový polepený míč se vloží do formy, kde se nahustí na požadovaný tlak a po stanovenou dobu a čas probíhá vulkanizace míče. Žehlení způsobuje zvýšení pevnosti lepení a dodá lepší vzhled povrchu míče.

 Zbytky lepidla na hotovém míči se odstraní surovou gumou. [8]

3.1.2 Navinutí vlákna na vzdušnici

Při navinutí vlákna na vzdušnici je polotovar míče upevněn do držáku navíjecího stroje. Na navíjecím stroji jsou uloženy cívky s polyamidovým vláknem, které jsou pak vedeny přes vodiče na vzdušnici míče. Vlákna procházejí přes zásobník s lepidlem.

Celý proces navinutí vláken na vzdušnici zajišťuje přilnutí vlákna k povrchu vzdušnice a zabraňuje jeho sklouzávání. Navinování vlákna musí být provedeno stejnoměrně po celém povrchu vzdušnice. [10]

Přehled parametrů vlákenného návinu:

 Průměrná tloušťka - 1,477 mm

 Průměrná hmotnost - 27,99 g

 Čas operace v navíjení - dle technologického postupu

3.1.3 Výroba nohejbalového míče

Na obr. 4 je vidět oficiální nohejbalový míč BN 5022S Českého nohejbalového svazu vyráběný firmou Gala. Pro výrobu nohejbalových míčů se používá tzv. sáčková technologie. Tento proces spočívá v obalení navinuté vzdušnice vyseknutými díly z textilního materiálu. Další postup výroby nohejbalového míče je v podstatě stejný jako u volejbalových míčů již předem zmíněných. Změna je v určitých operacích.

Obr. 4: Nohejbalový míč – BN 5022S [8]

 Textilní sáček se skládá z několika vrstev textilního materiálu. Jednotlivé díly textilního materiálu se postupně přilepí na předem připravenou vzdušnici, která byla předem nahuštěna na požadovaný průměr. Na polepení vzdušnice je třeba 26 dílců. Každá vrstva je ze šesti polí, z nichž pole je tvořeno dvěma nebo třemi textilními výseky. Jednotlivé textilní výseky se slepí na kovovém stojanu, následně se přenesou a přilepí na vzdušnici. Zkontroluje se kulatost míče ve třech rovinách pomocí kontrolního měřidla a odloží se připravený polotovar na pojízdný stojan. [8]

 Po nalepení sáčku na vzdušnici se naznačí tvar vrchových dílců pomocí teplé formy. Po vyznačení linií se provádí odmaštění (toluenem) polotovaru.

 Kedrování (obr. 5) je technologie, kdy se na vyznačená místa přilepí guma, která je později vidět na povrchu míče. Za stanovené teploty jde míč zpět do formy. Opět nastává proces odmaštění toluenem. [8]

 Vrchový materiál se vysekne na raznicích dvojího tvaru: 12 dílků ve tvaru pětiúhelníku, 20 dílků ve tvaru šestiúhelníku. [8]

 V této fázi je míč připraven na polepení. Lepení je prováděno pomocí lepidla, které je naneseno na polotovar a na předem zhotovené dílce z vrchového materiálu. [8]

 Pracovnice ručně polepí míč vyseknutými panely vrchového materiálu.

 Žehlení je konečný proces, kdy míč je připraven ke konečné kontrole a k prodeji. [8]

Obr. 5: Technologie kédrování nohejbalových míčů

3.1.4 Definice parametrů míče

Hotový míč se v podniku Gala musí podrobit kontrole parametrů míče.

Správně by měl být míč kondicionován v klimatizované místnosti při teplotách 20° - 25° C po dobu 48 hodin. V Gale však takovou místnost nemají, a proto používají pro svá měření srovnání s referenčním míčem nejvyšší kvality od společnosti Mikasa.

V následující tab. (3.1) lze vidět přehled laboratorních požadavků a rozsah jednotlivých parametrů. [10]

Tab. 3.1 Přehled požadavků na volejbalové a nohejbalové míče- dle FIVB a FIFTA

Parametr Volejbalový míč Nohejbalový míč

Hmotnost [g] 260-280 396 - 453

Obvod [mm] 650-670 680 - 710

Kulatost [t] 5 5

Rázová síla [N] 382-402 550 - 630

Výška odskoku [mm] 630-660 660 - 720

Nahuštění [kPA] 32 ± 1 60 - 65

Životnost[cykly] 10 000 10 000

3.1.4.1 Parametry míče ovlivněné návinem

Hmotnost: celkovou hmotnost míče tvoří váha vzdušnice, lepidlo, návin vlákna a vrchový materiál. Dle FIVB se hmotnost míče musí pohybovat v hodnotách

od 260 – 280 g. Výslednou váhu je možné během výroby ovlivňovat, a to např.

vzdušnicí, návinem a množstvím lepidla. Co se týká vzdušnice, tato se dělí do tří základních hmotnostních skupin. Váha se volí dle typu vrchového materiálu tak, aby bylo dosaženo požadované hmotnosti hotového míče. Pro špičkové míče je používána váha vzdušnice s větším množstvím pryže – tvar vzdušnice je kulatější a má nižší propustnost vzduchu. Hmotnost míče dále ovlivňuje návin, hmotnost lepidla a hmotnost vrchového materiálu. Posledním způsobem, kterým je možné ovlivnit váhu míče, je snížit množství latexu při návinu vláken na míč. V určitých případech může být latex úplně odstraněn.

Rázová síla: rázová síla se měří na přístroji, který je znázorněn na obr. 6. Míč je za pomocí podtlaku uložen v držáku horního ramene. Po zahájení testu je míč spuštěn vlastní vahou z výšky jednoho metru na podložku přístroje, který při dopadu vyhodnotí sílu nárazu. Rázová síla se u hotových míčů pohybuje v rozmezí 382,5 – 402,5 N.

Obr. 6: Přístroj na měření rázové síly a výšky odskoku [9]

Výška odskoku: zjišťuje se na obdobném principu, jako je měření rázové síly.

Z výšky jednoho metru je spuštěn míč a vyhodnocuje se výška odskoku míče, která je v rozmezí 60,0 – 66,0 cm. Vztah rázové síly a odskoku můžeme charakterizovat nepřímou úměrou. Po navinutí vlákna je rázová síla nejnižší a odskok nejvyšší.

Po nanesení lepidla a vrchového materiálu hodnoty odskoku klesají a rázová síla

Test životnosti: z celkové výrobní kapacity míčů se testuje stanovené procento míčů na stroji pro test životnosti. Stroj vrhá míče na betonovou stěnu rychlostí 50 km/hod. Dle FIVB a FIFTA musí míč pro plnění požadované kvality vydržet stanovený počet úderů. Míče špičkové musí vydržet až 100 tisíc úderů (cyklů).

Na obr. 7 je nákres testu životnosti probíhající ve společnosti Gala. [10]

Válce, které se otáčí protisměrně, stlačí míč cca na 2/3 původního průměru míče.

Tím je dodána míči rychlost a ten je vržen proti podložce (reflexní plocha). Poté se míč odrazí od podložky zpět do vrchní části testovacího stroje a celý proces se opakuje 10 000x. Stroj se zastaví, pokud míč vyletí z dráhy. [10]

Obr. 7: Nákres testu životnosti [10]

4 Použití nanomateriálu při výrobě míčů

Požadavkem podniku Gala a.s. bylo použití nanomateriálů při výrobě sportovních míčů. V dnešní době ostatní firmy používají „nálepku Nano“ (označení NANO) na svých produktech jen z marketingových důvodů. Literární a patentová rešerše na téma nanomateriál v míči a nanomateriál ve sportovních potřebách ukázala, že firmy nepřihlásily žádný patent v souvislosti s nanomateriály, které by dodaly výrobku nějakou požadovanou kladnou vlastnost, která by byla prospěšná pro spotřebitele.

Nanomateriál jako takový při výrobě sportovních míčů není zřejmě ve světě používán.

Na základě experimentů této diplomové práce by se firma Gala a.s. chtěla stát první

firmou v Evropě, která by název „Nano“ mohla oprávněně užívat při výrobě svých sportovních potřeb.

4.1 Patentová a literární rešerše

Patentové informace představují souhrn záznamů o výsledcích studie, vývojové, popř. jiné tvůrčí činnosti, které byly přihlášeny k zajištění ochrany, nebo jim byla ochrana na základě expertízy poskytnuta. Jde tedy o fondy obsahující:

• popisy a patentové nároky zveřejněných patentových přihlášek,

• popisy a patentové nároky udělených patentů,

• popisy a nároky zapsaných užitných vzorů.

K využití v průběhu výzkumu a vývoje předurčuje patentové informace jejich specifický typ – především jejich následující rysy:

 přinášejí nejnovější informace s předstihem 3 až 5 let,

 zabývající se jedním tématem, nápadem a myšlenkou,

 obsahují zprávy o světovém stavu techniky v oblasti příslušného řešení,

 zachycují směry a tendence vývoje v dané oblasti techniky,

 jsou snadno dosažitelné a dobře vyhledávatelné.

Úkolem při zpracování rešerše je ujasnit si odbornou terminologii pro téma „Nano v míči“, nebo „Nano“ ve sportovních potřebách a zaměřit se na něj i v cizím jazyce.

Hlavním cílem bylo připravit si klíčová slova, jejich synonyma, nadřazené obecnější pojmy i podřazené speciálnější pojmy. K této tématice bylo nutné použít vyhledávání v normách a patentech. Patentová rešerše se zaměřuje na vyhledávání patentů, a to buď ve specializovaných patentových databázích, nebo v oborových databázích, které patenty také obsahují. Je známo, že 70 % technických informací není uvedeno jinde než v patentových databázích. Proto je nutno hledat aktuální informace o tomto oboru a nespoléhat se jen na odborné časopisy. Mezi nejvíce prohledávanými bezplatnými databázemi jsou: ESPACENET Evropského patentového úřadu a PATENTSCOPE Světové organizace duševního vlastnictví. Pro některé druhy rešerší lze využít také databázi Úřadu průmyslového vlastnictví.

4.1.1 „Nano“ v míči

Nano v míči je téma, kterým se doposud žádná firma vyrábějící sportovní míče zřejmě nezabývala. Podnik Gala a.s. sídlící v Prostějově by se s touto problematikou chtěl seznámit a pokusit se vytvořit sportovní míč s použitím nanomateriálů. Pomocí norem a patentů bylo zjištěno, že žádná evropská ani světová firma se nezabývá touto výrobou.

Hledání bylo provedeno pomocí různých klíčových slov, a to např.:

 balloon with nano

 volleyball with nano

 nanomaterial in ball

 nanomaterial in the volleyball ball

 nanomateriál in the football

 nano v míči

 nanomateriál v míči

 balón s nano

 volejbalový míč s nanomateriálem

 nohejbalový míč s nanomateriálem

 nanotrubice v míči

 nanotubes of the ball

Pomocí těchto klíčových slov nebyla nalezena žádná informace o použití nanomateriálů ve volejbalovém či nohejbalovém míči.

4.1.2 Nano ve sportovních potřebách

Slovo „NANO“ je známo dnes již po celém světě. Při hledání na internetových stránkách je velká spousta sportovních potřeb, které mají ve svém názvu označení Nano. Patří sem například golfové míčky, tenisové rakety, golfové rakety, tenisové míče a jiné výrobky týkající se sportu. Velké množství firem vyrábí výrobky pod označením Nano jen z marketingových důvodů. Používají označení „Nano“ bez jakéhokoliv

Obr. 8: sqaush raketa Head Nano [15] Obr. 9: Raketa Wilson Nano Carbon Pro [15]

Zde je uvedena ukázka některých potřeb, jako jsou např. Wilson DX 2 soft. Jedná se o golfové míčky kvality A+, které mají měkké jádro díky technologii Nano Tech.

Tenisový míč Wilson tour davis cup 3ball s trvanlivým jádrem a prodlouženou životností díky technologii Nano Play. Tenisová raketa Head Nano Ti.Tour Red, ke které není žádná informace, proč používá „Nano“ ve výrobě. Squash raketa Head TiO₂ nanočástic v kompozitu (obr. 8). Rakety Wilson Nano Carbon Pro (obr. 9) mají revoluční molekulární strukturu z vysoce modulových grafitových vláken a nanočástic krystalů oxidu křemíku. Tato exkluzivní matrice je strategicky umístěna na klíčových místech torzního napětí podél rámu pro maximální pevnost a stabilitu.

Z dosavadních zdrojů je zjištěno, že firmy používají ve výrobě pouze submikronová plniva v polymerní matrici. Submikronové materiály jsou materiály, jejichž nejméně jeden rozměr se pohybuje v rozsahu stovek nanometrů. Proto udávají své výrobky za „Nano“. „Nano“ je zde používáno z fyzikálního a chemického hlediska. Dodávají výrobkům otěruvzdornost, měkkost na omak a ovlivňují barevnost produktu. [10]

4.1.3 Příklady použití „nano“

Využití nanotechnologií a nanomateriálů je velmi rozsáhlé. V současnosti nalézají uplatnění v mnoha oblastech běžného života jako je elektronika (paměťová média, spintronika, bioelektronika, kvantová elektronika), zdravotnictví (umělé klouby, chlopně, náhrada tkání, desinfekční roztoky nové generace, ochranné roušky), strojírenství (supertvrdé povrchy s nízkým třením, samočisticí nepoškrabatelné laky, obráběcí nástroje), stavebnictví (nové izolační materiály, samočistící fasádní nátěry,

katalýza, aerogely), textilní průmysl (nemačkavé, hydrofóbní a nešpinící se tkaniny), elektrotechnický průmysl (vysokokapacitní záznamová média, fotomateriály, palivové články), automobilový průmysl (nesmáčivé povrchy, filtry čelních skel), kosmický průmysl (katalyzátory, odolné povrchy satelitů), vojenský průmysl (nanosenzory, konstrukční prvky raketoplánů), životní prostředí (odstraňování nečistot, biodegradace, značkování potravin). Různé produkty s nanomateriály již dnes můžeme najít v téměř každé oblasti lidské činnosti. Nanomateriály jsou v dnešní době využívány pro zpevňování materiálu a zlepšení jejich užitných vlastností. Upravují povrchy za účelem získání lepší odolnosti proti poškrábání, vlhkost, s důrazem na jejich čistotu, ve zdravotnictví na sterilitu. Také při použití nanomateriálů se zlepšují funkční vlastnosti materiálu v extrémních podmínkách, což je např. ve stavebnictví, letectví, chemickém průmyslu, ale i v běžném životě. [10]

Praktická část

Po prostudování technologie výroby sportovních míčů Gala a.s. se nabízí možnost bez velkého zásahu do technologie implementovat nanomateriály v těchto případech:

Uhlíkové nanotrubice (CNT) v lepidlech pro zvýšení odolnosti kompozitního materiálu při dynamickém namáhání.

Nanovlákenný materiál vložený do návinu míče pro zvýšení odolnosti kompozitního materiálu při dynamickém namáhání.

5 Experiment s využitím nanotrubic a nanovláken

Jelikož nebylo možné získat CNT ve vodné disperzi, byly nejprve připraveny vzorky CNT ve vodě zamíchané pomocí ultrazvuku, a poté přimíchány do lepidel, které společnost Gala a.s. používá. Tyto vzorky CNT byly dále experimentálně přimíchány do výrobního procesu volejbalových a nohejbalových míčů. V této kapitole jsou popsány veškeré látky používané v experimentech s CNT a s nanovlákny. Jedná se o velmi stručný popis těchto látek, jejich vlastností a přípravy.

5.1 Nanotrubice NC 7000

Jde o tenké vícevrstvé uhlíkové nanotrubice, které lze vidět na obr. 10. Uhlíkové nanotrubice jsou tvořeny válci z atomů čistého uhlíku uspořádanými do šestiúhelníku s průměrem několika nanometrů. Deformace CNT je extrémně elastická, pevnost v tahu má 50-100 GPa, modul pružnosti 1-2 TPa. CNT mají vysokou tepelnou a elektrickou vodivost. [15]

Obr. 10: Nanotrubice NC 7000

Množství 0,2 g CNT bylo zamícháno v destilované vodě pomocí ultrazvuku s povrchově aktivní látkou Triton ^r X100. Na obr. 11 je velmi dobrá ukázka používaných nanotrubic NC 7000. Jde o 90-ti % CNT, kde 10% tvoří zbytky katalyzátorů a substrátu. Jsou nejčastěji používané, protože jsou nejlevnější (1g = 1 euro). Veškeré podrobnější informace o CNT 7000 jsou k nahlédnutí v příloze H. Pomocí elektronové rastrovací mikroskopie je vidět, že CNT 7000 nejsou samostatné trubičky, ale tvoří shluky. Tyto CNT se vyrábí v průmyslovém měřítku.

5.2 Nanotrubice AQUACYL 3153

Jde o inovativní vodnou disperzi uhlíkových nanotrubic. Jsou vodou ředitelné a v případě lepidel používaných ve firmě je tato vlastnost vyhovující. Jejich cena je 1 g = 100 euro. Do experimentální části byly zahrnuty jen pokusně, a to v laboratořích školy. Byl proveden pokus, zda tyto CNT bude možné zamíchat do lepidel používaných v Gale při výrobě volejbalových míčů. Množství 0,2 g CNT bylo zamícháno pomocí ultrazvuku ve 20 g destilované vody. Tyto nanotrubice jsou z 95 % čisté, a proto jsou dražší. Nanotrubice jsou z 5 % tvořeny zbytky substrátu a katalyzátorů. [15]

Po konzultaci bylo rozhodnuto, že k experimentu se použijí CNT 7000 z důvodu nízké ceny a dostupnosti suroviny. Navíc CNT vyhovovaly při práci s lepidly.

Technický list je v příloze I.

5.3 Triton ^r X100

Triton ^r X100 (C ₁₄ H₂₂ O (C ₂ H ₄ O) _n) je povrchově aktivní látka tetramethylbutyl, kterou můžete vidět na obr. 12. Jde o čirou viskózní tekutinu rozpustnou ve vodě, která je běžně používaná jako detergent v laboratořích. V experimentu bylo použito 0,06 g Tritonu, ultrazvukem zamícháno s CNT.

Obr. 12: Triton – X – 100

5.4 Polyvinylbutyral Mowital 60T

Jde o 10 % hm roztok PVB v alkoholu. Byl použit 95 % etanol a vše zamícháno pomocí vrtulového míchadla. Je nerozpustný ve vodě, proto byl zvolen jako roztok vhodný pro zvlákňování do návinu, protože se v prostředí vodné disperze latexu nanovlákna nerozpustí. Dobře zvlákňuje v širokém rozmezí teplot a vzduchu. PVB Mowital 60T je polymer od firmy Kuraray z Německa.

5.5 Průzkum vláken u vrchového materiálu na volejbalovém míči

Při výrobě nohejbalových míčů používá společnost Gala a.s. dva vrchové materiály.

Z důvodu dovážení materiálu z Japonska bylo důležité prozkoumání vzorků na elektronovém rastrovacím mikroskopu. Jde o vrchové materiály ze syntetické usně.

Zkoumali jsme dva vzorky vrchového materiálu volejbalových míčů:

 Cordley WRP 7400 DIMPL

 GGV100 105

Obr. 13: Elektronová rastrovací mikroskopie materiálu Cordley WRP 7400 DIMPL

Bylo zjištěno, že ve vrchovém materiálu Cordley WRP jsou použita i vlákna menší než 1000 nm. Tato struktura vrchového materiálu je dobře viditelná na mikroskopickém snímku (obr. 13). Z literatury víme, že vlákna s průměrem 50 – 1000 nm jsou submikronová vlákna nazývána jako nanovlákna. U každého vrchového materiálu bylo naměřeno 30 průměru vláken a statisticky vyhodnoceno v tab. (5.1).

Tab.5.1 Výsledky měřených průměrů vláken v materiálu Cordley a GGV

STAT Cordley WRP GGV100 105

Počet měření 30 30

Průměrná hodnota 761,73 nm 13266,67 nm

Směrodatná odchylka 153,16 1824,524

Variační koeficient 20,10% 13,75%

Minimální hodnota 448 nm 11000 nm

Maximální hodnota 1223 nm 17000 nm

Interval spolehlivosti [809,18;

714,27]

[12613,78;

13919,55]

V grafu na obr. 14 jsou vyneseny naměřené průměry vláken materiálu Cordley.

Průměry jednotlivých vláken byly změřeny pomocí programu LUCIE.

Obr. 14:Graf s naměřenými průměry vláken ve vrchovém materiálu Cordley 0

200 400 600 800 1000 1200 1400

0 10 20 30 40

průměr vláken [nm]

počet vláken

Cordley

Materiál GGV 100 105 používaný pří výrobě volejbalových míčů byl zkoumaný elektronovou rastrovací mikroskopií (obr. 15). Všechny snímky byly proměřeny a byly zjištěny průměry vláken ve vrchovém materiálu. Naměřené hodnoty u materiálu GGV100 105 jsou vyhodnoceny v tab. (5.1). Materiál GGV má v sobě vlákna o průměru 13 266 nm. Tyto vlákna tudíž nelze považovat za nanovlákna.

Obr. 15: Elektronová rastrovací mikroskopie GGV100 105

V grafu na obr. 16 jsou znázorněny všechny naměřené průměry vrchového materiálu GGV100 105, které byly změřeny v programu Lucie a statisticky vyhodnoceny. V grafu je vidět, že všechny průměry vláken se pohybují v rozmezí 10 000 nm – 17 000 nm. Tyto vlákna nemůžeme považovat za nanovlákna, stejně jako u předchozího materiálu.

Obr. 16: Graf s naměřenými průměry vláken ve vrchovém materiálu GGV100 105

5.6 Elektrostatické zvlákňování polymeru

Procesem zvlákňování polymerů rozumíme přeměnu tekuté látky na textilní vlákno za působení elektrického napětí. Zvlákňování z jehly má výhodu v tom, že můžeme zvlákňovaný polymerní roztok kontinuálně dávkovat. Velikost dávky je ovlivněna velikostí injekční stříkačky. Podstatou této experimentální části je aplikovat zvlákněný polymer do výroby volejbalových míčů.

5.6.1 Zvlákňování na polyamidová vlákna (PAD)

Polyamidová vlákna se používají při návinu vláken na vzdušnici volejbalových míčů. Nejdříve byla provedena zkouška, zda je možné zvlákňovat materiál na polyamidová vlákna. Experiment byl proveden na fakultě v laboratoři jako cvičný pokus. Zvlákňování polymeru na vlákna je provedeno následovně: na papírový rámeček jsou nataženy PAD vlákna, která jsou namočena v latexu, poté dojde ke zvlákňování polymeru na vlákna v rámečku. Celý experiment je na obr. 17.

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000

0 10 20 30 40

průměr vláken

[nm]

počet vláken

GGV

Obr. 17: Zvlákňování PVB na PAD vlákna

5.7 Zvlákňování do návinu volejbalového míče

Proces zvlákňování bylo velmi těžké uskutečnit přímo ve firmě při výrobě volejbalových míčů. U stroje s návinem byl proveden pokus o zvláknění polymeru do návinu na vzdušnici (obr. 18). Celý přístroj musel být upraven tak, aby mohl nastat proces zvláknění do návinu, aniž by bylo jakkoliv zasaženo do navinovacího stroje a nepoškodili jej. Vše muselo být provedeno pod dohledem zodpovědného pracovníka z důvodu používání vysokého napětí. Při této operaci nastalo mnoho problémů, ale i přes veškeré komplikace se proces zvlákňování podařil. Velký problém byl v umístění zvlákňovací jehly, která musela být nastavena tak, aby roztok PVB dopadal na nevodivou vzdušnici. Zvlákněná polyvinylbutyralová vlákna se nepřichytávala na vzdušnici míče, ale na ventilátor u navinovacího stroje. Poté bylo nutné nastavit dávkování roztoku tak, aby zvlákňování bylo stejnoměrné. Bylo nutné vytvořit na místě speciální tyčový kolektor tak, aby nanovlákna nedopadala primárně na něj, ale na vzdušnici. Operace zvlákňování do návinu byla nejtěžším experimentem celé této práce.

I přes všechny potíže, které se v průběhu experimentu objevily, se tento pokus podařil.

Obr. 18: Zvlákňování do návinu u volejbalových míčů

Parametry zvlákňování:

Zvláknění pod 18 kV

 0,05 mA

 1 ml roztoku polyvinylbutyralu na jeden míč

 Počet míčů: 15

E perimenty byly prováděny v následujících klimatických podmínkách:

 teplota vzduchu t [°C] : 25,3

 vlhkost vzduchu [%]: 25

Na mikroskopickém snímku (obr. 19) jsou úspěšně viditelná nanovlákna v návinu. Mezi PAD vlákny jsou jasně patrná zvlákněná nanovlákna. Při zvlákňování nastává problém v dávkování polymeru. Je nutné zajistit rovnoměrný přívod polymerního roztoku do zvlákňovací jehly, aby vznikala vlákna s úzkou distribucí průměrů. Pokud dojde ke skápnutí kapky roztoku, proces zvlákňování se přeruší a vznikne v návinu nežádoucí defekt.

Smyslem experimentu bylo vyrobit pět míčů, kde nanovlákna byla elektrostaticky zvlákněna do návinu. Poté takto vyrobené míče byly označeny pod názvem A a poslány do výroby. Následovalo měření všech pěti míčů, kde jsem potřebovala zjistit, zda míče odpovídají všem normám FIVB a FIFTA. Všechny

Obr. 19: Nanovlákna v návinu - elektronový rastrovací mikroskop

Na snímku (obr. 20) lze spatřit nanovlákna, kdy pomocí nich dojde k přemostění mezi vnikajícími trhlinami. Tím je potvrzeno, že nanovlákna napomáhají zvýšení odolnosti materiálu v dalším trhání. Snímek je pořízený rastrovací elektronovou mikroskopií (SEM). [10]

Obr. 20: Návin PAD vláken s nanovlákny – přemosťování trhlin

5.8 Nanotrubice v lepidlech

V experimentu jsou používané nanotrubice od firmy Nanocyl, která sídlí v Belgii.

Nanocyl je předním světovým výrobcem speciálních a průmyslových uhlíkových nanotrubic. Nanotrubice NC 7000 jsou tenké vícevrstvé nanotrubice. CNT jsou zamíchány v lepidle Latex, Helmitin, KL a Revertex. Tato lepidla se používají na výrobu nohejbalových a volejbalových míčů. Složení CNT bylo namícháno:

20 g H2O destilovaná 0,2 g CNT 0,06 g Triton ^r X 100

Triton ^r X100 je povrchově aktivní látka tetramethylbutyl. Takovéto složení bylo přimícháváno do výroby všech míčů v požadovaném množství. CNT se míchaly pomocí ultrazvuku 2 minuty.

Nohejbalové míče s použitím CNT:

CNT v sáčkové technologii v lepidle Revertex 5 míčů CNT v KL lepidle 5 míčů

CNT v sáčkové technologii v lepidle Revertex a KL 5 míčů

Volejbalové míče s použitím CNT:

CNT v lepidle Helmitin 5 míčů CNT v lepidle Latex při návinu 5 míčů

5.8.1 Nanotrubice v lepidle Revertex

Požadované množství CNT se odvíjelo od výroby míčů. Při sáčkové technologii je zapotřebí na 10 míčů 1 kg lepidla Revertexu. K tomuto složení bylo přimícháno 7 ml suspenze CNT, která byla předem připravená a do lepidla byla zamíchána za pomocí ultrazvuku po dobu 2 minut. Takto připravenou směsí bylo slepeno 10 míčů. U lepidla Revertex bylo možné odebrat vzorek lepidla s CNT a byla provedena mikroskopie, zda

Obr. 21: Mikroskopie CNT v Revertexu

5.8.2 Nanotrubice v lepidle KL

Lepidlem KL je zapotřebí potřít 10 míčů. K této operaci bylo vyrobeno 1,5 l lepidla s předem připravenou suspenzí CNT. Byla zamíchána do směsi lepidel KL 20 (15%) a KL 21 (85%). Bylo přidáno tužidlo Härter (200 ml) a k tomu 10 ml CNT. Vše bylo zamícháno ultrazvukem a použito k výrobě míčů.

Obr. 22: CNT + Helmitin na vrchovém materiálu volejbalových míčů

5.8.3 Nanotrubice v lepidle Helmitin

Pomocí ultrazvuku se zamíchalo 7 ml nanotrubic do 1 l lepidla Helmitin. Tato směs byla nastříkána na vrchové díly volejbalových míčů. Byla provedena mikroskopie distribuce CNT v lepidle Helmitin (obr. 23).

Obr. 23: Mikroskopie CNT v Helmitinu

5.8.4 Nanotrubice v lepidle Latex

Do nádoby s latexem byly přimíchány 3 ml nanotrubic. V celé nádobě bylo celkem 285 ml Latexu. Množství CNT bylo zamícháno v lepidle ultrazvukem.

6 Výsledky zkoušek dle FIVB a FIFTA

Kapitola zahrnuje popis všech prováděných zkoušek na jednotlivých vyrobených míčích, včetně informací o použití strojního zařízení. Jednotlivé výstupní hodnoty byly zpracovány pomocí statistických údajů, které jsou uvedeny v předcházející kapitole.

Výsledky všech experimentů budou sloužit jako podklady pro návrh nejvhodnější metody používání nanomateriálů.

Míče byly podrobeny zkoušce:

Pevnost lepeného spoje Výška odskoku

Hmotnost Obvod

Rázová síla Kulatost

6.1 Pevnost lepeného spoje

V této práci byly míče vystaveny mechanickému namáhání, a to zkoušce lpění spoje neboli pevnosti lepeného spoje. Veškeré měření míčů bylo prováděno na přístroji Lab Test 4.050. Jde o trhací přístroj, který je na obr. 24. Přístroj slouží ke zkoumání mechanických vlastností a je obsluhován pomocí softwarového programu. Spojený materiál je upnut do čelistí trhacího stroje a je podrobován jednoosému namáhání tahovou silou při 100 a 1000 mm/min. Jde o rychlost, jakou se budou vzdalovat čelisti od sebe. Rychlost může být pro určité specifické části zkoušky jiná.

Obr. 24: Lab Test 4.050

6.1.1 Volejbalové míče a nohejbalové míče s využitím CNT a s nanovlákny – pevnost spoje

Při provedení experimentu bylo přiděleno označení jednotlivých míčů dle využití CNT a nanovláken viz tab. (6.1). Míče A, B, C, D, E volejbalové a míče A, B, C, D nohejbalové byly podrobeny zkoušce životnosti 10 000 úderů. Míč volejbalový F a míč nohejbalový E není podroben zkoušce životnosti. V této části zkoušky šlo i o porovnání pevnosti míče, který prošel zkouškou životnosti a který nebyl podroben zkoušce životnosti.

Tab. 6.1 Míče s CNT a s nanovlákny

Druh

míče: Volejbalové míče Nohejbalové míče A Nanovlákna v návinu CNT v Revertexu v sáčku B Nanotrubice v lepidle CNT v lepidle KL

C Nanovlákna v návinu a nanotrubice

v lepidle CNT v Revertexu a v KL

D Nanotrubice v návinu a nanotrubice

v lepidle míč GALA

E míč GALA míč GALA nepoužitý (bez 10000

úderů) F míč GALA nepoužitý (bez 10000 úderů)

Zkoušky mechanického namáhání lepeného spoje u volejbalových míčů probíhaly v následujících klimatických podmínkách:

 teplota vzduchu t [°C]: 23,5

 vlhkost vzduchu φ [%]: 30 Parametry zkoušky:

 počet zkoušek: 5

 rychlost posuvu [mm/min]:100 / 1000 Příprava vzorků

Na každé měření byly připraveny vzorky volejbalových a nohejbalových míčů, které byly vyrobeny v Gale s použitím CNT, nanovláken a míče bez CNT a nanovláken.

Všechny vzorky byly nastříhány o rozměrech 20 x 80 mm. Na zařízení bylo potřeba nastavit rychlost trhání (100 mm/min a 1000 mm/min), vzdálenost čelistí stroje (20 mm) a kritérium ukončení zkoušky.

VOLEJBALOVÉ MÍČE

U volejbalových míčů byly nastříhány vzorky vrchového materiálu v podélném a příčném směru (obr. 25). U nohejbalových míčů není směr vrchového materiálu rozpoznatelný, tudíž bylo jedno, jak byly vzorky odebrány.

Obr. 25: Vzorky podélné a příčné na volejbalovém míči.

V grafu na obr. 26 jsou vyneseny výsledky pevnosti lepeného spoje u volejbalových míčů. Jde o vzorky stříhané v podélném směru při zvolené rychlosti trhání 100 mm/min a 1000 mm/min. Statistické zpracování hodnot pevnosti spoje je shrnuto v tabulce viz. příloha A.

Obr. 26: Graf s naměřenými výsledky – zkouška pevnosti lepeného spoje u

volejbalových míčů - podélný směr stříhání vzorku. A - míč s nanovlákny v návinu, B - míč s CNT, C - míč nanovlákna v návinu a CNT v lepidle, D - CNT v návinu a CNT v lepidle, E - míč Gala, F- míč, který nebyl podroben zkouškou životnosti

Výsledky pevnosti lepeného spoje u volejbalových míčů zachycuje graf na obr. 27. Jde o vzorky stříhané v příčném směru při zvolené rychlosti trhání 100 mm/min a 1000 mm/min. Statistické zpracování hodnot pevnosti spoje je shrnuto

0 5 10 15 20 25

A B C D E F

16,55 17,88 13,96

21,4

15,84 16,41

F [ N ]

100 mm/min 1000 mm/min

v tabulce viz. příloha A. Sloupce pod označením F jsou míče, které nebyly podrobeny zkoušce životnosti (10 000 úderů).

Tab .6.2 Průměrné hodnoty pevnosti lepeného spoje u volejbalových míčů – příčné / podélné

PRŮMĚRNÉ

HODNOTY A B C D E F

PŘÍČNÉ

100 mm/min 17,25 15,51 13,24 16,54 14,49 16,41 PODÉLNÉ

100 mm/min 15,72 17,02 14,97 16,93 17,32 15,32 PŘÍČNÉ

1000 mm/min 21,55 24,25 23,02 20,29 16,43 18,73 PODÉLNÉ

1000 mm/min 16,55 17,88 13,96 21,4 15,84 16,41

Obr. 27: Graf s naměřenými výsledky - zkouška pevnosti lepeného spoje u volejbalových míčů - příčný směr stříhání vzorku .A - míč s nanovlákny v návinu, B - míč s CNT, C - míč nanovlákna v návinu a CNT v lepidle, D - CNT v návinu a CNT v lepidle, E - míč Gala, který byl podroben zkouškou životnosti, F- míč Gala, který

0 5 10 15 20 25

A B C D E F

17,25 15,51

13,24 16,54

14,49 16,95 21,55

24,25 23,02

20,29 16,43

18,73

F [ N ]

100 mm/min 1000 mm/min

Zhodnocení měřené zkoušky:

Z grafu na obr. 27 a tab. (6.2) je patrné, že výsledky pevnosti spoje při rychlosti trhání 1000 mm/min vykazují vyšší pevnosti. Na rozdíl rychlost trhání 100 mm/min měla v průměru nižší hodnoty. Lze konstatovat, že míče A, B, C a D s použitím CNT a nanovláken v míči mají vyšší hodnoty, než míče bez nanomateriálů.

Pevnost se zvýšila o 3% u vzorků A, B, C a D. Zkouška pevnosti spoje byla vyhodnocena a průměrné hodnoty u volejbalových míčů jsou zaznamenány v tabulce viz. příloha (B).

Zkoušky mechanického namáhání lepeného spoje u nohejbalových míčů probíhaly v následujících klimatických podmínkách:

 teplota vzduchu t [°C]: 20

 vlhkost vzduchu φ [%]: 30 Parametry zkoušky:

 počet zkoušek: 8

 rychlost posuvu [mm/min]:100 / 1000

NOHEJBALOVÝ MÍČ

Graf na obr. 28 znázorňuje zpracované hodnoty, které byly naměřeny na přístroji Lab Test. Jedná se o testování nohejbalového míče při zvolené rychlosti trhání 100 mm/min a 1000 mm/min. Statistické zpracování hodnot pevnosti spoje je shrnuto v tabulce viz. příloha C a D. Míče, které jsou uvedeny ve sloupci E, nebyly podrobeny testu životnosti.