基于印刷电子的智能包装研究与应用

引言

随着“中国制造2025”、 工业互联网、大数据等不断融合到制造业中， 我国制造业的信息化、 智能化水平不断提高， 而作为服务制造业的包装产业， 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。在《中国包装工业“十三五”发展规划》 [1]、《关于加快我国包装产业转型发展的指导意见》 [2]中明确指出：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。

智能包装是指在包装基础功能上， 运用化学、 物理、 电子信息、 材料、 通信等技术， 对包装及内装物在流通全过程的控制、 记录、 识别等[3]， 使包装在传统保护产品、 方便运输的基础上， 具有信息数据传输、 记录、 感知、交互等功能， 有效扩展、 外延包装产品功能。智能包装实现以上功能主要是通过二维码、 RFID标签等， 近年来，随着印刷电子技术的不断进步和发展， 将印刷电子应用到智能包装中研究也不断深入。印刷电子是指利用传统印刷技术， 通过印刷方法制造电子器件或电路， 具有柔性化、 个性化、 低成本、 绿色环保等优点[4-6]。结合印刷电子技术的智能包装产品， 主要是利用印刷电子技术制作标签、传感器等，然后通过贴片等方式添加到包装材料上，使包装能够记录或反馈物流、 位置、 防伪等信息[7-9]， 实现与使用者互动， 或者增加可观赏性、 与其他同类产品形成差异化等。目前，印刷电子智能包装正在逐步成为一个新兴产业。

本文在分析总结智能包装技术发展现状及趋势基础上， 对现有智能包装技术进行全面解析， 结合新兴的柔性印刷电子技术， 重点分析印刷电子在智能包装应用及研究进展， 以期对智能包装、 印刷电子技术的研究和应用提供参考和启示。

1、智能包装

1.1

智能包装系统

但随着大数据、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， 从而形成智能包装系统[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，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， 并利用收集、 记录的数据信息[11-12]。智能包装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。

根据智能包装技术及信息传递的特性， Yam等[13]提出智能包装系统框架，该系统以食品供应链为基础，整个系统由智能包装组件、包装数据存储、供应链通信网络、数据处理系统组成。因此，智能包装系统大致可分为感知层、 通信层和服务层[14]， 感知层利用智能包装组件实现数据获取、 传输和交流;通信层负责信息数据持续跟踪、实时反馈和产品数据化分析;应用层则为产品流通、包装内部和外部环境监控提供决策支持。具体示意图如图2所示。

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。

功能材料型智能包装

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：通过将具有气味敏感、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，从而实现对包装内容物温度、湿度、密封性等有效监控;石岩[18]指出具有温敏、湿敏、气敏等功能智能包装材料，不仅是作为包装的主体材料，在包装辅助材料中，也可以将功能型材料加入其中，形成智能油墨、智能涂料、智能胶粘剂;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，通过不同标签颜色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，则通过采用具有发光包装材料，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，增加产品表现力;Yildirim等[21]则采用具有抗菌型、氧气去除型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，从而实现包装有效防护。

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智能性或特定功能， 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、个性化需要。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， 避免儿童误食药品情况;通过改变包装结构、调整包装内部构造体现包装的智能化，可实现包装自动报警、自动加热、自动冷却。自动报警包装在包装底部内置报警系统装置，当食物发省变质胀袋，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加热反应，实现食品自加热[27];自动冷却包装是将干燥剂、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], 实现不同功能性产品的包装需要。

信息型智能包装

信息型智能包装相对于功能材料型、功能结构型智能包装，它不需要改变包装结构或应用新型包装材料，主要是利用电子信息技术、物理、通信等技术，在包装外部或表面增加条形码、二维码、 RFID标签、传感器等，通过信息和通信技术显示、 展现、 传达相关的包装信息， 并借助包装信息数据管理系统实现产品存储、 运送、 销售、回收等全过程管理[29]。目前信息型智能包装主要有两大类，一类是通过信息化技术实现包装产品的过程监控及管理，主要是利用二维码、 RFID、 TTI标签等技术，如李文瑞等[30]在电商包装中，利用印刷电子技术制作微型传感器应用到电商包装中，将包装作为流量入口，实现对电商产品的跟踪管理、防伪验证以及监控食品运输过程等，实现电商包装的智能化和可视化;将RFID、 NFC等应用到包装中，利用RFID非接触式识别、数据传输和编码等功能，实现包装类型、规格、位置追踪、防窜货等数据信息的统计和分析，并可建立智能包装系统[31];利用图像特征识别技术(如AR、 VR) [32]，通过移动智能终端设备扫描特定图像特征，读取、识别或感知特定图像特征中嵌入的信息， 实现包装的交互体验、 音频/视频互动等。另一类信息型智能包装则是利用生物、 化学、 物理等原理，利用包装监测、 反馈商品的使用环境信息及质量变化， 如利用物理、 动力学手段监测包装运输过程中碰撞、 倾倒、温湿度及压力变化，或者利用生物、化学等方法监测由于环境变化引起包装产品变质的问题。如利用TTI标签监测包装温度变化，通过时间温度积累数据监控、记录环境温度，更好保障食品、药品运输和保存[33];对新鲜度要求较高的食品包装，利用CO2传感器可监测内装食品的新鲜状态[34];对压力、震动等敏感的包装，可采用压力和震动传感包装，当外部条件达到临界值时，发出警示更好保护产品[35]。

目前，随着印刷电子技术的不断发展，结合印刷电子技术的信息型智能包装应用也越来越广泛。通过印刷电子技术， 利用具有导电功能油墨等材料可实现在纸张、 薄膜、 塑料薄片等多种承印物上， 制造电池、 柔性显示器、传感器、射频识别标签等，实现智能包装的小型化、柔性化，柔性印刷电子技术将有力推动和改变智能包装的应用。江耀曦[36]对印刷电子学在智能包装上的应用展开分析，通过印刷电子技术制作低压环保印刷电池、无源射频识别智能包装等传感元件，用传统的印刷方式实现智能传感器件的规模生产制作，使得其在智能包装行业有较好的应用前景;朱新新[34]则指出结合印刷电子技术的智能包装，体现出优异的实用性，相对于其他类型的智能包装具有技术优势，也为智能包装注入新活力。

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，而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，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]：

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， 采用印刷电子技术的印刷电池、 导电油墨线路、 印刷传感器、印刷显示器等，制作智能包装具有柔性、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。

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。如面向医药领域的吃药记录和吃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。

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，使包装从外观上及表现形式上，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。

3D打印智能包装：利用3D打印技术，使智能包装生产制造过程中的灵活、快速响应，缩短智能包装产品开发和打样时间，降低开发成本。此外， 在智能包装中集成的功能器件也日益多元化， 包括柔性印刷电子技术、 碳纳米材料技术、 硅光电技术、传感器列阵、 生物传感技术等， 可以为智能包装带来更全面的感知功能。随着纳米材料、 云计算、 大数据等发展，智能包装的发展也呈现出多样性和包容性，从单一功能拓展至多功能，使人机交互式沟通更为便捷，使得智能包装更加主动地呈现出交互性，未来智能包装的发展将呈现出百花齐放的局面。

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，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上功能性材料，便可实现电子器件制作，可有效减少三废污染。同时，印刷电子技术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，还可利用印刷技术可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技术逐步的提升，也为其在智能包装中的应用提供有力技术支撑[45]。目前，印刷电子技术在智能包装中应用主要在印刷纸电池、印刷传感器和 RFID 印刷等方面。

2.1

印刷纸电池

印刷电池又叫纸电池，是将具有导电特定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”。

印刷电池的出现，赋予包装产品新的生命和表现形式，它可作为智能包装的实现智能功能的电源，成为智能包装的源动力，将原来静态的包装产品变成可发光、发声的包装，丰富包装表象形式，使普通商品包装变成智能包装。同时，柔性化和微型化的电池，使印刷电池可根据包装类型、结构和产品需求实现定制生产。目前，基于印刷电子的智能包装主要应用有 RFID 标签、传感器标签、智能防伪标签等。

2.2

印刷传感器

由于印刷电子具备的绿色环保、大批量、低成本的特点，随着印刷电子技术在设备、材料和制备工艺方面的不断进步， 也为其应用在传感器制备方面提供良好基础。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。Bruno 等[49]人则提出一种基于 PET 基底的压力传感器，通过检测基底电阻的变化与压力之间的变化关系，可感知外界压力变化情况，可用于监测包装运输过程中压力变化，防止包装出现损坏;Bing Sun 等[50]对由聚乙烯氧化物为主的固态聚合物电解质材料组分进行优化调整，制备获得用于监测温度变化的传感器，可用于生鲜包装、水果、牛奶等对温度敏感产品包装中;将导电油墨、生物制剂结合印刷电极，可制备得到气味检测电化学传感器，可用来检测食品是否变质等[51]。结合印刷传感器技术，使包装产品具备感知功能，才能使包装真正实现智能化。

2.3

RFID 印刷

RFID是目前应用较为广泛的智能包装技术，但是传统的RFID由于存在明显的缺陷，导致难以大面积普及和推广。同时无源RFID读取不便、易受干扰， RFID天线印刷制备复杂，生产过程产生大量废液等污染物，也阻碍RFID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。RFID印刷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聚合物银导电墨水，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。

目前，基于RFID技术的智能读写标签已广泛应用在瓦楞包装、塑料包装、食品、药品、酒类等包装中，在食药品包装中，通过将RFID标签、传感器、印刷电池等集成在包装上，可实时采集包装流通过程中信息，监控产品质量，还可用来防止假冒和伪造;在酒类包装中，通过RIFD的定位功能，可有效防止假冒产品和产品窜货;在瓦楞纸箱和塑料包装容器中，则可利用RIFD定位、追踪功能，实现产品回收和循环利用。

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，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，结合印刷电子技术在智能包装呈现出更广泛的功能，其应用情况场景也不断丰富，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，相关应用实例如表1所示[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，具体应用实例如表2所示[37]。

3.3

RFID在智能包装中应用实例

RFID/NFC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，具体应用实例如表3所示[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、实用化得到进一步提升，通过包装品质优化提升产品价值，从而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。