Tại sao hầu hết các chai nước ngọt bằng nhựa đều có cấu trúc hình cánh hoa ở đáy?

[therealrtz]

Mọi chiếc chai nhựa, bất kể là nước suối hay nước giải khát, đều bắt đầu cuộc đời mình từ nhựa Polyethylene Terephthalate, hay còn gọi là PET. Đây là loại nhựa số 1, vốn là những hạt nhựa trong suốt. Tại nhà máy, chúng được nung chảy và đúc thành phôi chai hình ống nghiệm với phần miệng đã hoàn thiện.

Sau đó, phần thân phôi được gia nhiệt lại và đưa vào khuôn thổi. Khi thổi, thân chai mỏng sẽ nhanh chóng phồng lên như quả bóng. Tuy nhiên, nếu không được làm lạnh kịp thời, vỏ chai nóng mềm sẽ ngay lập tức xẹp xuống. Để giải quyết vấn đề này, các khuôn đúc được trang bị hệ thống ống nước lạnh để làm cứng chai ngay khi chạm vào vách khuôn.

Phôi chai nhựa được làm từ nhựa PET nóng chảy, ép thành hình phôi có miệng chai hoàn chỉnh, sau đó gia nhiệt và thổi phồng trong khuôn.

Thế nhưng, một vấn đề vật lý khác lại nảy sinh. Khi phôi chai phồng ra, phần eo ở giữa sẽ chạm vào vách khuôn và đông cứng nhanh nhất, chiếm mất một lượng lớn vật liệu. Hậu quả là phần đáy chai - nơi cần chịu lực nhất - lại bị kéo dãn, mỏng đi và rất yếu, khiến chai khó lòng đứng vững. Giải pháp cho vấn đề này chính là công nghệ khuôn thổi kéo dãn (Injection Stretch Blow Molding - ISBM).

Trong quá trình thổi, một thanh sắt ở trên sẽ ngăn chai bị lệch, đồng thời một thanh kéo ở dưới cùng kết hợp với thiết bị gia nhiệt sẽ đẩy lớp vật liệu thừa xuống, giúp nhựa phân bố đều khắp phần đáy. Nhờ tác động kép từ lực kéo dọc và áp suất thổi ngang, chai nhựa đạt được độ cứng cáp hoàn hảo. Dấu vết để lại của quá trình này chính là một chỗ lõm nhỏ ở giữa đáy, hay còn gọi là "rốn", vết cổng phun để lại khi rút thanh kéo.

Công nghệ khuôn thổi kéo dãn (ISBM) sử dụng hai thanh kéo căng ở trên và dưới cùng áp suất cao để điều phối nguyên liệu, giúp chai được kéo dãn đồng đều và tăng cường độ bền, tạo ra vết lõm nhỏ ở giữa đáy.

Tuy nhiên, với nước có ga, bài toán lại trở nên hóc búa hơn nhiều. Lượng khí carbon dioxide nén bên trong sẽ tạo ra một áp suất cực lớn, có thể dễ dàng đẩy bung phần đáy lõm ra ngoài. Nếu chọn cách thêm nhựa để tăng độ dày cho đáy chai, nhà sản xuất sẽ phải đối mặt với bài toán chi phí khổng lồ.

Vì vậy, các kỹ sư đã nghĩ ra một giải pháp tối ưu: tạo ra các nếp gấp hình tia chữ W xung quanh đáy. Cấu trúc vòm này đóng vai trò như một hệ thống chống đỡ thông minh, giúp chuyển hóa toàn bộ áp suất thẳng đứng từ bên trong thành sức căng phân bổ đều lên thành bên của chai.

Đối với nước có ga, áp suất khí lớn dễ đẩy lồi phần đáy lõm ra, nên việc tạo thành thiết kế rãnh chữ W hình vòm (đế hình cánh hoa) giúp chuyển hóa áp suất, tăng sức chịu lực mà không cần tốn thêm vật liệu, đồng thời các rìa bo tròn giảm rủi ro nứt vỡ.

Không dừng lại ở đó, để ngăn ngừa nguy cơ nứt vỡ do ứng suất tập trung tại các góc nhọn, phần rìa của đáy chai được thiết kế bo tròn mềm mại. Kết quả của quá trình tính toán cơ học tinh vi này chính là đế hình cánh hoa (Petaloid Base) đặc trưng mà chúng ta thường thấy ở các chai nước ngọt có ga ngày nay. Lần tới khi cầm trên tay một chai nước ngọt, hãy nhìn xuống đáy chai, bạn sẽ thấy đằng sau những cánh hoa bằng nhựa ấy là cả một thành tựu của ngành công nghiệp hiện đại.

Tham khảo: Zhihu