隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)與制造業(yè)的不斷融合，我國制造業(yè)的信息化、智能化水平不斷提高。服務(wù)于制造業(yè)的包裝產(chǎn)業(yè)，不僅可為工業(yè)產(chǎn)品提供安全防護(hù)、方便運(yùn)輸?shù)龋�還可通過信息化、智能化的包裝技術(shù)，使包裝具備信息傳輸、數(shù)據(jù)歸集、全程追蹤等功能，與制造業(yè)聯(lián)合建立起新型工業(yè)制造系統(tǒng)。《中國包裝工業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》[1]和《關(guān)于加快我國包裝產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的指導(dǎo)意見》[2]明確指出：著力發(fā)展智能包裝商品，推進(jìn)智能包裝一體化發(fā)展，提升包裝信息化、智能化水平，包裝智能化發(fā)展成為包裝行業(yè)新的發(fā)展方向和機(jī)遇。

　　智能包裝是指在包裝基礎(chǔ)功能上，運(yùn)用化學(xué)、物理、電子信息、材料、通信等技術(shù)，對包裝及內(nèi)裝物流通全過程進(jìn)行控制、記錄、識別等[3]，使包裝在保護(hù)產(chǎn)品、方便運(yùn)輸?shù)幕�礎(chǔ)上，具有信息數(shù)據(jù)傳輸、記錄、感知、交互等功能。智能包裝主要是通過二維碼、射頻識別(RFID)標(biāo)簽等實(shí)現(xiàn)以上功能。近年來，隨著印刷電子技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，將印刷電子應(yīng)用到智能包裝的研究也在不斷深入。印刷電子是指利用傳統(tǒng)印刷技術(shù)，通過印刷方法制造電子器件或電路，具有柔性化、個性化、低成本、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[4-6]。結(jié)合印刷電子技術(shù)的智能包裝產(chǎn)品，主要是利用印刷電子技術(shù)制作標(biāo)簽、傳感器等，然后通過貼片等方式添加到包裝材料上，使包裝能夠記錄或反饋物流、位置、防偽等信息[7-9]，實(shí)現(xiàn)與使用者互動，或者增加包裝可觀賞性、與其他同類產(chǎn)品形成差異化等。目前，印刷電子智能包裝正在逐步成為一個新興產(chǎn)業(yè)。

　　本文在總結(jié)分析智能包裝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有智能包裝技術(shù)進(jìn)行全面解析，結(jié)合新興的柔性印刷電子技術(shù)，重點(diǎn)分析印刷電子在智能包裝中的應(yīng)用及研究進(jìn)展，以期為智能包裝、印刷電子技術(shù)的研究和應(yīng)用提供參考和啟示。

　　1 智能包裝概述

　　1.1 智能包裝系統(tǒng)隨著大數(shù)據(jù)、智能化時代的來臨，人們希望商品流通過程也更加數(shù)據(jù)化、智能化，因此將通信技術(shù)、電子信息技術(shù)、智能材料等逐步應(yīng)用到包裝產(chǎn)品中，形成智能包裝系統(tǒng)[10]。智能包裝融合了通信工程、包裝工程、印刷工程、生物學(xué)、物理學(xué)、電子信息、化學(xué)、材料等多學(xué)科，通過多學(xué)科技術(shù)有機(jī)融合，賦予包裝產(chǎn)品感知、通訊、記錄、交互、追蹤等功能。通過信息化手段持續(xù)跟蹤、實(shí)時反饋、記錄包裝流通全鏈條的信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)更好的產(chǎn)品保護(hù)、方便運(yùn)輸流通，并有效收集、記錄數(shù)據(jù)信息[11-12]。智能包裝(如圖1)實(shí)現(xiàn)包裝信息功能的有效擴(kuò)展和延伸，其核心是數(shù)據(jù)信息的傳遞和交流，通過賦予包裝智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從原材料供應(yīng)、產(chǎn)品制造、產(chǎn)品包裝、物流配送、消費(fèi)和包裝廢棄物回收利用等全過程的信息感知、儲存、傳遞、反饋等。

　　1.2 智能包裝分類根據(jù)使用技術(shù)不同，智能包裝可分為功能材料型、功能結(jié)構(gòu)型及信息型三種。 1)功能材料型智能包裝功能材料型智能包裝是指將包裝技術(shù)與智能材料、指示劑、功能材料等新材料進(jìn)行結(jié)合，為包裝增加更多功能，目前功能材料型智能包裝主要應(yīng)用在食品、藥品等領(lǐng)域，以解決食品、藥品安全問題。在功能材料型智能包裝研究方面，許文才[15]、胡興軍[16]、柯勝海[17]等指出將具有氣味敏感、溫度變化敏感、光電感知的功能材料融合到包裝中，使包裝對外部環(huán)境變化具備感知和識別功能，可實(shí)現(xiàn)對包裝內(nèi)容物溫度、濕度、密封性等性能的有效監(jiān)控。石巖[18]指出具有溫敏、濕敏、氣敏等功能的智能包裝材料，不僅可作為包裝的主體材料，也可以加入到包裝輔助材料中，形成智能油墨、智能涂料、智能膠黏劑等材料。嚴(yán)純?nèi)A等[19]將智能溫敏變色材料應(yīng)用到食品包裝中，提出一種可實(shí)時指示食品變質(zhì)的智能變色標(biāo)簽，通過標(biāo)簽顏色變化顯示包裝食品的新鮮度，當(dāng)食品保存溫度或保質(zhì)期超出規(guī)定時，則可以通過標(biāo)簽顏色實(shí)時直觀顯示。柯勝海[20]對智能發(fā)光包裝展開研究，通過采用發(fā)光包裝材料，使包裝產(chǎn)品在不同的使用環(huán)境下，具有更加豐富的包裝視覺表現(xiàn)，增加了產(chǎn)品表現(xiàn)力。 Yildirim等[21]則采用具有抗菌、氧氣去除等功能的活性包裝技術(shù)，使包裝在特定條件下，延長產(chǎn)品保質(zhì)期，改善食品安全性和感官特性，同時保持食品品質(zhì)不變。尚咪[22]、劉麗[23]、謝智暉[24]等人則對功能材料在包裝防偽、導(dǎo)電油墨等方面的應(yīng)用展開研究分析，將智能防偽材料應(yīng)用到包裝產(chǎn)品中，利用光、電、磁等技術(shù)增強(qiáng)包裝防偽效果，從而實(shí)現(xiàn)對包裝物的有效防護(hù)。2)功能結(jié)構(gòu)型智能包裝功能結(jié)構(gòu)型智能包裝是指利用物理結(jié)構(gòu)原理，通過改變、增加、優(yōu)化部分包裝結(jié)構(gòu)，或從物理構(gòu)造方面設(shè)計新型功能結(jié)構(gòu)，使包裝在某些方面具備特定功能，增強(qiáng)產(chǎn)品包裝的便捷性、安全性、可靠性以及智能性，滿足包裝應(yīng)用商和消費(fèi)者特定化、個性化需求。

　　1.3 智能包裝發(fā)展趨勢隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G技術(shù)的迅速發(fā)展，人類的生產(chǎn)生活將進(jìn)入“萬物互聯(lián)”時代，智能數(shù)據(jù)應(yīng)用分析的場景將越來越普遍。智能包裝未來幾年內(nèi)，將隨著5G技術(shù)普及、印刷電子技術(shù)及其相應(yīng)材料、設(shè)備、工藝等的逐漸成熟而迎來迅猛發(fā)展。融合RFID、印刷電子傳感器、智能材料的智能包裝，不僅可以實(shí)現(xiàn)商品的防偽溯源、防竄貨、互動營銷、消費(fèi)分析等，還可以通過建立包裝數(shù)據(jù)化系統(tǒng)，使整個包裝制造和銷售過程信息透明化，實(shí)現(xiàn)包裝全過程可追蹤。未來一段時間，智能包裝發(fā)展將主要集中在以下幾方面[37]。 1)功能性智能包裝：傳統(tǒng)功能性智能包裝在電源、線路、電路板等方面，存在體積大、成本高、包裝嵌入不美觀等缺陷，而隨著印刷電子技術(shù)的快速發(fā)展，采用印刷電池、導(dǎo)電油墨線路、印刷傳感器、印刷顯示器等制作的智能包裝具有柔性、環(huán)保、體積輕薄、成本低等特點(diǎn)，將極大推動功能性智能包裝發(fā)展。 2)食品、醫(yī)藥智能包裝：結(jié)合印刷電子、生物醫(yī)藥、電子信息、材料技術(shù)、食品保鮮等技術(shù)，研發(fā)針對食品、醫(yī)藥特定領(lǐng)域的功能性智能包裝，如面向醫(yī)藥領(lǐng)域的用藥記錄和用藥時間提醒醫(yī)藥包裝，采用食品新鮮度指示標(biāo)簽記錄、反饋食品保質(zhì)期的食品包裝等。冷鏈物流包裝利用印刷紙電池、溫度傳感器和RFID標(biāo)簽等，可以實(shí)時監(jiān)控物流包裝的溫度和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品溯源追蹤。

　　2 印刷電子技術(shù)在智能包裝中應(yīng)用

　　印刷電子技術(shù)是集印刷技術(shù)和電子技術(shù)于一體，采用傳統(tǒng)印刷技術(shù)來制備電子元器件或電路的技術(shù)，是電子制造的一個新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域[38-39]。印刷電子技術(shù)可直接將導(dǎo)電油墨、銀漿等功能性材料通過印刷、沉積的方式轉(zhuǎn)移到基材上形成指定的圖案和形式，與傳統(tǒng)電子制造技術(shù)相比，印刷電子為“增材制造”，只需要在對應(yīng)地方印刷功能性材料，便可實(shí)現(xiàn)電子器件制作，可有效減少三廢污染。同時，印刷電子不需要大型的專業(yè)電子制造設(shè)備，對生產(chǎn)技術(shù)、場地面積、專業(yè)技術(shù)人員等要求較低，還可利用印刷技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品大規(guī)模和批量化的生產(chǎn)制造，降低生產(chǎn)成本[40-44]。印刷電子技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，也為其在智能包裝中的應(yīng)用提供有力的技術(shù)支撐[45]。目前，印刷電子技術(shù)在智能包裝中應(yīng)用主要有印刷紙電池、印刷傳感器和印刷 RFID標(biāo)簽等方面。

　　2.1 印刷紙電池印刷電池又叫紙電池，是將具有導(dǎo)電特性的油墨印刷在紙張或柔性材料上，形成可以儲備電能的電池或電容器。紙電池最早是由華人科學(xué)家張霞昌提出，紙電池以柔性材料為基底，將正負(fù)極、電解質(zhì)、集電極等封裝形成封閉的電化學(xué)體系，通過電極與外部連接輸送電流[46]。紙電池的提出和發(fā)明，有效避免了傳統(tǒng)電池的重金屬、鋰及堿性氧化物等泄漏的問題，并實(shí)現(xiàn)電池小型化、柔性化，現(xiàn)已初步應(yīng)用到微型標(biāo)簽顯示器、智能卡、化妝品包裝等領(lǐng)域。在印刷電池研究方面，3M公司與合作者聯(lián)合研發(fā)了銀納米線薄膜，在聚酯薄膜基底上通過印刷方式獲得銀納米線導(dǎo)電油墨微圖案，該產(chǎn)品具有高柔彈性，可用于制造柔性電極、柔性電池等。Kang等[47]采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在鋁塑膜上，連續(xù)印刷集流體、活性層、電解質(zhì)層等，制備得到柔性薄膜鋰離子電池。崔屹等[48]以碳納米管為電極，將銀和碳納米管材料組成的特殊墨水印刷到紙張上，通過電解反應(yīng)產(chǎn)生電流，成功制成紙電池。

　　2.2 印刷傳感器由于印刷電子具備綠色環(huán)保、大批量、低成本的特點(diǎn)，其在設(shè)備、材料和制備工藝方面的不斷進(jìn)步，為其在傳感器制備方面的應(yīng)用提供良好基礎(chǔ)。采用印刷電子技術(shù)制備傳感器成為印刷電子的重要部分，由于其制備工藝靈活且不受基底材料限制，因此可賦予電容、電阻、電感等傳感器件更多的感知功能。而將傳感器與包裝進(jìn)行有效結(jié)合后，便賦予包裝豐富的感知功能。

　　2.3 印刷RFID標(biāo)簽 RFID標(biāo)簽是目前應(yīng)用較為廣泛的智能包裝技術(shù)，但是傳統(tǒng)的RFID標(biāo)簽由于存在明顯的缺陷，因此難以大面積普及和推廣。同時無源RFID標(biāo)簽讀取不便、易受干擾，RFID天線印刷制備工藝復(fù)雜，生產(chǎn)過程產(chǎn)生大量廢液等污染物，也阻礙了RFID標(biāo)簽在包裝中的應(yīng)用和發(fā)展。而印刷電子技術(shù)的出現(xiàn)和興起，可為RFID標(biāo)簽提供很好的解決方案。目前，采用絲網(wǎng)印刷和噴墨打印可直接實(shí)現(xiàn)RFID天線印制，印刷紙電池的出現(xiàn)則很好解決無源RFID標(biāo)簽在讀取精度、范圍、靈敏度等方面的缺陷。采用印刷電子技術(shù)制備RFID標(biāo)簽可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)制作，有效降低生產(chǎn)成本，加快其在智能包裝行業(yè)中的應(yīng)用。印刷RFID標(biāo)簽研究重點(diǎn)主要在導(dǎo)電油墨研究方面，Merilampi等[52]通過研究獲得一種含銀的導(dǎo)電墨水，在紙質(zhì)基材上具有良好的印刷適性。曹彬等[53] 通過研究制備得到一系列不同銀微粒含量的導(dǎo)電油墨，并通過絲網(wǎng)印刷獲得不同銀含量油墨在相對應(yīng)條件下的印刷工藝參數(shù)。

　　3 印刷電子智能包裝應(yīng)用實(shí)例

　　在物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)和5G技術(shù)的進(jìn)一步結(jié)合和發(fā)展下，同時隨著印刷電子技術(shù)及其相應(yīng)的材料、工藝、產(chǎn)品的逐漸成熟，印刷電子技術(shù)在智能包裝中的應(yīng)用呈現(xiàn)出更廣泛的功能，其應(yīng)用場景也不斷豐富，具體應(yīng)用實(shí)例如下。

　　3.1 印刷紙電池在智能包裝中應(yīng)用實(shí)例基于印刷紙電池技術(shù)的智能包裝，主要是利用微型化、柔性化的紙電池作為動力源為包裝提供能源，使包裝產(chǎn)品在不同應(yīng)用場景實(shí)現(xiàn)不同功能，相關(guān)應(yīng)用實(shí)例見表1[37]。

　　3.2 印刷傳感器在智能包裝中應(yīng)用實(shí)例印刷傳感器在智能包裝中應(yīng)用，主要是利用傳感器監(jiān)測包裝產(chǎn)品質(zhì)量，監(jiān)控外部環(huán)境情況、供應(yīng)鏈、運(yùn)輸情況等，使包裝產(chǎn)品具備感知功能，具體應(yīng)用實(shí)例見表2[37]。

　　3.3 RFID標(biāo)簽在智能包裝中應(yīng)用實(shí)例 RFID/NFC標(biāo)簽在智能包裝中應(yīng)用，主要是利用其具有的通信、定位和數(shù)據(jù)交換等功能，使其成為智能包裝體系中的感知層，再集合管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)平臺，對包裝在生產(chǎn)、倉儲、運(yùn)輸過程中質(zhì)量信息以及銷售分布等進(jìn)行記錄、統(tǒng)計和分析，為產(chǎn)品銷售、生產(chǎn)等提供決策支持，具體應(yīng)用實(shí)例見表3[37]。

　　4 結(jié)語

　　隨著印刷電子技術(shù)和智能包裝不斷深入結(jié)合，包裝功能將得到進(jìn)一步的拓展和延伸，各種新興技術(shù)也將會不斷應(yīng)用到包裝產(chǎn)品中，使包裝的智能化、實(shí)用化水平得到進(jìn)一步提升，通過包裝品質(zhì)優(yōu)化提升產(chǎn)品價值，促使包裝產(chǎn)業(yè)更好服務(wù)制造業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展。在消費(fèi)升級和新零售的助推下，通過進(jìn)一步開發(fā)形式多樣的智能包裝產(chǎn)品，豐富智能包裝在產(chǎn)品溯源、食品安全、智能及冷鏈物流、防偽驗(yàn)證等方面的應(yīng)用場景，形成智能包裝產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)智能包裝更好更快發(fā)展。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[2] 中國包裝聯(lián)合會.中國包裝工業(yè)發(fā)展規(guī)劃(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.

　　《基于印刷電子的智能包裝研究與應(yīng)用》來源：《數(shù)字印刷》，作者：王 展1 ，鐘云飛2