基于印刷电子的智能包装研究与应用

　　随着工业互联网、大数据等新兴技术与制造业的不断融合，我国制造业的信息化、智能化水平不断提高。服务于制造业的包装产业，不仅可为工业产品提供安全防护、方便运输等，还可通过信息化、智能化的包装技术，使包装具备信息传输、数据归集、全程追踪等功能，与制造业联合建立起新型工业制造系统。《中国包装工业“十三五”发展规划》[1]和《关于加快我国包装产业转型发展的指导意见》[2]明确指出：着力发展智能包装商品，推进智能包装一体化发展，提升包装信息化、智能化水平，包装智能化发展成为包装行业新的发展方向和机遇。

　　1 智能包装概述

　　1.1 智能包装系统随着大数据、智能化时代的来临，人们希望商品流通过程也更加数据化、智能化，因此将通信技术、电子信息技术、智能材料等逐步应用到包装产品中，形成智能包装系统[10]。智能包装融合了通信工程、包装工程、印刷工程、生物学、物理学、电子信息、化学、材料等多学科，通过多学科技术有机融合，赋予包装产品感知、通讯、记录、交互、追踪等功能。通过信息化手段持续跟踪、实时反馈、记录包装流通全链条的信息数据，实现更好的产品保护、方便运输流通，并有效收集、记录数据信息[11-12]。智能包装(如图1)实现包装信息功能的有效扩展和延伸，其核心是数据信息的传递和交流，通过赋予包装智能化技术，实现从原材料供应、产品制造、产品包装、物流配送、消费和包装废弃物回收利用等全过程的信息感知、储存、传递、反馈等。

　　1.2 智能包装分类根据使用技术不同，智能包装可分为功能材料型、功能结构型及信息型三种。 1)功能材料型智能包装功能材料型智能包装是指将包装技术与智能材料、指示剂、功能材料等新材料进行结合，为包装增加更多功能，目前功能材料型智能包装主要应用在食品、药品等领域，以解决食品、药品安全问题。在功能材料型智能包装研究方面，许文才[15]、胡兴军[16]、柯胜海[17]等指出将具有气味敏感、温度变化敏感、光电感知的功能材料融合到包装中，使包装对外部环境变化具备感知和识别功能，可实现对包装内容物温度、湿度、密封性等性能的有效监控。石岩[18]指出具有温敏、湿敏、气敏等功能的智能包装材料，不仅可作为包装的主体材料，也可以加入到包装辅助材料中，形成智能油墨、智能涂料、智能胶黏剂等材料。严纯华等[19]将智能温敏变色材料应用到食品包装中，提出一种可实时指示食品变质的智能变色标签，通过标签颜色变化显示包装食品的新鲜度，当食品保存温度或保质期超出规定时，则可以通过标签颜色实时直观显示。柯胜海[20]对智能发光包装展开研究，通过采用发光包装材料，使包装产品在不同的使用环境下，具有更加丰富的包装视觉表现，增加了产品表现力。 Yildirim等[21]则采用具有抗菌、氧气去除等功能的活性包装技术，使包装在特定条件下，延长产品保质期，改善食品安全性和感官特性，同时保持食品品质不变。尚咪[22]、刘丽[23]、谢智晖[24]等人则对功能材料在包装防伪、导电油墨等方面的应用展开研究分析，将智能防伪材料应用到包装产品中，利用光、电、磁等技术增强包装防伪效果，从而实现对包装物的有效防护。 2)功能结构型智能包装功能结构型智能包装是指利用物理结构原理，通过改变、增加、优化部分包装结构，或从物理构造方面设计新型功能结构，使包装在某些方面具备特定功能，增强产品包装的便捷性、安全性、可靠性以及智能性，满足包装应用商和消费者特定化、个性化需求。在功能结构型智能包装研究方面，王立党[25]、卢立新[26]等对儿童药品安全盖展开研究和设计，通过创新儿童药品包装安全盖结构设计，避免发生儿童误食药品的情况。通过改变包装结构、调整包装内部构造体现包装的智能化，使包装具有自动报警、自动加热、自动冷却等功能。在包装底部内置报警系统装置，当食物发生变质胀袋，或外部环境造成包装膨胀时，通过压力传感器启动内置报警装置，警示食品及包装出现安全问题[10]。自动加热包装则是调整包装内部构造，形成多层次、密封性好的包装结构，通过挤压，释放不同层中的包装物，发生简单的化学反应，实现食品自加热[27]。自动冷却包装则将干燥剂、冷却器、蒸发槽置于包装内部，在底部储藏冷凝反应中产生的气态水，实现在短时间内大幅度降低包装物温度。功能结构型智能包装主要是通过对产品内部结构进行可控性智能化、功能性设计[28], 满足不同功能性产品的包装需要。

　　1.3 智能包装发展趋势随着物联网、人工智能、5G技术的迅速发展，人类的生产生活将进入“万物互联”时代，智能数据应用分析的场景将越来越普遍。智能包装未来几年内，将随着5G技术普及、印刷电子技术及其相应材料、设备、工艺等的逐渐成熟而迎来迅猛发展。融合RFID、印刷电子传感器、智能材料的智能包装，不仅可以实现商品的防伪溯源、防窜货、互动营销、消费分析等，还可以通过建立包装数据化系统，使整个包装制造和销售过程信息透明化，实现包装全过程可追踪。未来一段时间，智能包装发展将主要集中在以下几方面[37]。

　　1)功能性智能包装：传统功能性智能包装在电源、线路、电路板等方面，存在体积大、成本高、包装嵌入不美观等缺陷，而随着印刷电子技术的快速发展，采用印刷电池、导电油墨线路、印刷传感器、印刷显示器等制作的智能包装具有柔性、环保、体积轻薄、成本低等特点，将极大推动功能性智能包装发展。 2)食品、医药智能包装：结合印刷电子、生物医药、电子信息、材料技术、食品保鲜等技术，研发针对食品、医药特定领域的功能性智能包装，如面向医药领域的用药记录和用药时间提醒医药包装，采用食品新鲜度指示标签记录、反馈食品保质期的食品包装等。冷链物流包装利用印刷纸电池、温度传感器和RFID标签等，可以实时监控物流包装的温度和实现产品溯源追踪。 3)具有交互体验智能包装：将交互体验设计和智能包装技术进行有效融合，使包装从外观表现形式上，可与消费者进行互动、情感交流，并结合内容定制，使包装更加贴近消费者，获得消费者认可。

　　2 印刷电子技术在智能包装中应用

　　印刷电子技术是集印刷技术和电子技术于一体，采用传统印刷技术来制备电子元器件或电路的技术，是电子制造的一个新兴产业技术领域[38-39]。印刷电子技术可直接将导电油墨、银浆等功能性材料通过印刷、沉积的方式转移到基材上形成指定的图案和形式，与传统电子制造技术相比，印刷电子为“增材制造”，只需要在对应地方印刷功能性材料，便可实现电子器件制作，可有效减少三废污染。同时，印刷电子不需要大型的专业电子制造设备，对生产技术、场地面积、专业技术人员等要求较低，还可利用印刷技术实现产品大规模和批量化的生产制造，降低生产成本[40-44]。印刷电子技术的不断发展和进步，也为其在智能包装中的应用提供有力的技术支撑[45]。目前，印刷电子技术在智能包装中应用主要有印刷纸电池、印刷传感器和印刷 RFID标签等方面。

　　2.1 印刷纸电池印刷电池又叫纸电池，是将具有导电特性的油墨印刷在纸张或柔性材料上，形成可以储备电能的电池或电容器。纸电池最早是由华人科学家张霞昌提出，纸电池以柔性材料为基底，将正负极、电解质、集电极等封装形成封闭的电化学体系，通过电极与外部连接输送电流[46]。纸电池的提出和发明，有效避免了传统电池的重金属、锂及碱性氧化物等泄漏的问题，并实现电池小型化、柔性化，现已初步应用到微型标签显示器、智能卡、化妆品包装等领域。在印刷电池研究方面，3M公司与合作者联合研发了银纳米线薄膜，在聚酯薄膜基底上通过印刷方式获得银纳米线导电油墨微图案，该产品具有高柔弹性，可用于制造柔性电极、柔性电池等。Kang等[47]采用丝网印刷技术在铝塑膜上，连续印刷集流体、活性层、电解质层等，制备得到柔性薄膜锂离子电池。崔屹等[48]以碳纳米管为电极，将银和碳纳米管材料组成的特殊墨水印刷到纸张上，通过电解反应产生电流，成功制成纸电池。

　　2.2 印刷传感器由于印刷电子具备绿色环保、大批量、低成本的特点，其在设备、材料和制备工艺方面的不断进步，为其在传感器制备方面的应用提供良好基础。采用印刷电子技术制备传感器成为印刷电子的重要部分，由于其制备工艺灵活且不受基底材料限制，因此可赋予电容、电阻、电感等传感器件更多的感知功能。而将传感器与包装进行有效结合后，便赋予包装丰富的感知功能。

　　2.3 印刷RFID标签 RFID标签是目前应用较为广泛的智能包装技术，但是传统的RFID标签由于存在明显的缺陷，因此难以大面积普及和推广。同时无源RFID标签读取不便、易受干扰，RFID天线印刷制备工艺复杂，生产过程产生大量废液等污染物，也阻碍了RFID标签在包装中的应用和发展。而印刷电子技术的出现和兴起，可为RFID标签提供很好的解决方案。目前，采用丝网印刷和喷墨打印可直接实现RFID天线印制，印刷纸电池的出现则很好解决无源RFID标签在读取精度、范围、灵敏度等方面的缺陷。采用印刷电子技术制备RFID标签可实现大规模生产制作，有效降低生产成本，加快其在智能包装行业中的应用。印刷RFID标签研究重点主要在导电油墨研究方面，Merilampi等[52]通过研究获得一种含银的导电墨水，在纸质基材上具有良好的印刷适性。曹彬等[53] 通过研究制备得到一系列不同银微粒含量的导电油墨，并通过丝网印刷获得不同银含量油墨在相对应条件下的印刷工艺参数。

　　3 印刷电子智能包装应用实例

　　在物联网、移动互联网和5G技术的进一步结合和发展下，同时随着印刷电子技术及其相应的材料、工艺、产品的逐渐成熟，印刷电子技术在智能包装中的应用呈现出更广泛的功能，其应用场景也不断丰富，具体应用实例如下。

　　3.1 印刷纸电池在智能包装中应用实例基于印刷纸电池技术的智能包装，主要是利用微型化、柔性化的纸电池作为动力源为包装提供能源，使包装产品在不同应用场景实现不同功能，相关应用实例见表1[37]。

　　3.2 印刷传感器在智能包装中应用实例印刷传感器在智能包装中应用，主要是利用传感器监测包装产品质量，监控外部环境情况、供应链、运输情况等，使包装产品具备感知功能，具体应用实例见表2[37]。

　　3.3 RFID标签在智能包装中应用实例 RFID/NFC标签在智能包装中应用，主要是利用其具有的通信、定位和数据交换等功能，使其成为智能包装体系中的感知层，再集合管理系统和数据平台，对包装在生产、仓储、运输过程中质量信息以及销售分布等进行记录、统计和分析，为产品销售、生产等提供决策支持，具体应用实例见表3[37]。

　　4 结语

　　随着印刷电子技术和智能包装不断深入结合，包装功能将得到进一步的拓展和延伸，各种新兴技术也将会不断应用到包装产品中，使包装的智能化、实用化水平得到进一步提升，通过包装品质优化提升产品价值，促使包装产业更好服务制造业和国民经济发展。在消费升级和新零售的助推下，通过进一步开发形式多样的智能包装产品，丰富智能包装在产品溯源、食品安全、智能及冷链物流、防伪验证等方面的应用场景，形成智能包装产业链，实现智能包装更好更快发展。

　　参考文献

　　[1] 工业和信息化部，商务部. 关于加快我国包装产业转型发展的指导意见：工信部联消费 [2016] 397 号 [EB/OL]. [2017-11-01]. http://www.mofcom.gov.cn/ article/h/redht/201612/20161202273150.shtml. Ministry of Industry and Information Technology, Ministry of Commerce. Guidance on Accelerating the Transformation and Development of Packaging Industry in China：Consumer Goods Industry Division， Ministry of Industry and Information Technology [2016] No.397 [EB/OL]. [2017-11-01]. http://www.mofcom. gov.cn/article/h/redht/201612/20161202273150.shtml.

　　[2] 中国包装联合会.中国包装工业发展规划(2016-2020 年)[EB/OL]. [2017-11-01]. http://www.cpta.org.cn/ articleDetail.html?id=6821. China Packaging Federation. China Packaging Industry Development Plan (2016-2020) [EB/OL]. [2017-11-01]. http://www.cpta.org.cn/articleDetail.html?id=6821.

　　《基于印刷电子的智能包装研究与应用》来源：《数字印刷》，作者：王 展1 ，钟云飞2

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