引言

隨著“中國制造2025”、 工業(yè)互聯(lián)網、大數據等不斷融合到制造業(yè)中， 我國制造業(yè)的信息化、 智能化水平不斷提高， 而作為服務制造業(yè)的包裝產業(yè)， 不僅可為工業(yè)產品提供安全防護、 方便運輸等， 還可通過信息化、 智能化的包裝技術， 使包裝具備信息傳輸、 數據歸集、 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)。在《中國包裝工業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》 ［1］、《關于加快我國包裝產業(yè)轉型發(fā)展的指導意見》 ［2］中明確指出：著力發(fā)展智能包裝商品， 推進智能包裝一體化發(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)展方向和機遇。

智能包裝是指在包裝基礎功能上， 運用化學、 物理、 電子信息、 材料、 通信等技術， 對包裝及內裝物在流通全過程的控制、 記錄、 識別等［3］， 使包裝在傳統(tǒng)保護產品、 方便運輸的基礎上， 具有信息數據傳輸、 記錄、 感知、交互等功能， 有效擴展、 外延包裝產品功能。智能包裝實現以上功能主要是通過二維碼、 RFID標簽等， 近年來，隨著印刷電子技術的不斷進步和發(fā)展， 將印刷電子應用到智能包裝中研究也不斷深入。印刷電子是指利用傳統(tǒng)印刷技術， 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［4-6］。結合印刷電子技術的智能包裝產品， 主要是利用印刷電子技術制作標簽、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］， 實現與使用者互動， 或者增加可觀賞性、 與其他同類產品形成差異化等。目前，印刷電子智能包裝正在逐步成為一個新興產業(yè)。

本文在分析總結智能包裝技術發(fā)展現狀及趨勢基礎上， 對現有智能包裝技術進行全面解析， 結合新興的柔性印刷電子技術， 重點分析印刷電子在智能包裝應用及研究進展， 以期對智能包裝、 印刷電子技術的研究和應用提供參考和啟示。

1、智能包裝

1.1

智能包裝系統(tǒng)

但隨著大數據、智能化時代的來臨，人們希望商品流通過程也更加數據化、智能化，因此將通信技術、電子信息技術、 智能材料等逐步應用到包裝產品中， 從而形成智能包裝系統(tǒng)［10］。智能包裝融合了通信工程、 包裝工程、印刷工程、生物學、物理學、電子信息、化學、材料等多學科，通過多學科技術有機融合，賦予包裝產品感知、通訊、記錄、交互、追蹤等，通過信息化手段持續(xù)跟蹤、實時反饋、記錄包裝流通全鏈條的信息數據，實現更好的產品保護、 方便運輸流通， 并利用收集、 記錄的數據信息［11-12］。智能包裝實現包裝信息功能的有效擴展和延伸，其核心是數據信息的傳遞和交流，通過賦予包裝智能化技術，實現從原材料供應、產品制造、產品包裝、物流配送、消費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。

根據智能包裝技術及信息傳遞的特性， Yam等［13］提出智能包裝系統(tǒng)框架，該系統(tǒng)以食品供應鏈為基礎，整個系統(tǒng)由智能包裝組件、包裝數據存儲、供應鏈通信網絡、數據處理系統(tǒng)組成。因此，智能包裝系統(tǒng)大致可分為感知層、 通信層和服務層［14］， 感知層利用智能包裝組件實現數據獲取、 傳輸和交流;通信層負責信息數據持續(xù)跟蹤、實時反饋和產品數據化分析;應用層則為產品流通、包裝內部和外部環(huán)境監(jiān)控提供決策支持。具體示意圖如圖2所示。

1.2

智能包裝分類

根據使用技術不同，智能包裝可分為功能材料型、功能結構型及信息型三種。

功能材料型智能包裝

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：通過將具有氣味敏感、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，從而實現對包裝內容物溫度、濕度、密封性等有效監(jiān)控;石巖［18］指出具有溫敏、濕敏、氣敏等功能智能包裝材料，不僅是作為包裝的主體材料，在包裝輔助材料中，也可以將功能型材料加入其中，形成智能油墨、智能涂料、智能膠粘劑;嚴純華等［19］將智能溫敏變色材料應用到食品包裝中，提出一種可實時指示食品變質的智能變色標簽，通過不同標簽顏色顯示包裝食品的新鮮度，當食品保存溫度或保質期超出規(guī)定時，則可以通過標簽顏色實時直觀顯示;柯勝海［20］對智能發(fā)光包裝展開研究，則通過采用具有發(fā)光包裝材料，使包裝產品在不同的使用環(huán)境下，具有更加豐富的包裝視覺表現，增加產品表現力;Yildirim等［21］則采用具有抗菌型、氧氣去除型等功能的活性包裝技術， 使包裝在特定條件下，延長產品保質期，改善食品安全性和感官特性，同時保持食品品質不變;尚咪［22］、劉麗［23］、謝智暉［24］等人則對功能材料在包裝防偽、導電油墨等應用展開研究分析，將智能防偽材料應用到包裝產品中，利用光、電、磁等技術增強包裝防偽效果，從而實現包裝有效防護。

功能結構型智能包裝

功能結構型智能包裝是指利用物理結構原理，通過改變、增加、優(yōu)化部分包裝結構，或從物理構造方面設計新型功能結構， 使包裝在某些方面具備智能性或特定功能， 增強產品包裝的便捷性、 安全性、 可靠性以及智能性，滿足包裝應用商和消費者特定、個性化需要。在功能結構型智能包裝研究方面，王立黨［25］、盧立新［26］等對兒童藥品安全蓋展開研究和設計， 通過創(chuàng)新兒童藥品包裝安全蓋結構設計， 避免兒童誤食藥品情況;通過改變包裝結構、調整包裝內部構造體現包裝的智能化，可實現包裝自動報警、自動加熱、自動冷卻。自動報警包裝在包裝底部內置報警系統(tǒng)裝置，當食物發(fā)省變質脹袋，或外部環(huán)境造成包裝膨脹時，通過壓力傳感器啟動內置報警裝置，警示食品及包裝出現安全問題［10］;自動加熱包裝則是調整包裝內部構造，形成多層次、密封性好的包裝結構，通過擠壓、釋放不同層中的包裝物發(fā)生簡單的化學加熱反應，實現食品自加熱［27］;自動冷卻包裝是將干燥劑、冷卻器、蒸發(fā)槽置于包裝內部，在底部儲藏冷凝反應中產生的氣態(tài)水，實現在短時間內大幅度降低包裝物溫度。功能結構型智能包裝主要是通過對產品內部結構進行可控性智能化、功能性設計［28］， 實現不同功能性產品的包裝需要。

信息型智能包裝

信息型智能包裝相對于功能材料型、功能結構型智能包裝，它不需要改變包裝結構或應用新型包裝材料，主要是利用電子信息技術、物理、通信等技術，在包裝外部或表面增加條形碼、二維碼、 RFID標簽、傳感器等，通過信息和通信技術顯示、 展現、 傳達相關的包裝信息， 并借助包裝信息數據管理系統(tǒng)實現產品存儲、 運送、 銷售、回收等全過程管理［29］。目前信息型智能包裝主要有兩大類，一類是通過信息化技術實現包裝產品的過程監(jiān)控及管理，主要是利用二維碼、 RFID、 TTI標簽等技術，如李文瑞等［30］在電商包裝中，利用印刷電子技術制作微型傳感器應用到電商包裝中，將包裝作為流量入口，實現對電商產品的跟蹤管理、防偽驗證以及監(jiān)控食品運輸過程等，實現電商包裝的智能化和可視化;將RFID、 NFC等應用到包裝中，利用RFID非接觸式識別、數據傳輸和編碼等功能，實現包裝類型、規(guī)格、位置追蹤、防竄貨等數據信息的統(tǒng)計和分析，并可建立智能包裝系統(tǒng)［31］;利用圖像特征識別技術（如AR、 VR） ［32］，通過移動智能終端設備掃描特定圖像特征，讀取、識別或感知特定圖像特征中嵌入的信息， 實現包裝的交互體驗、 音頻/視頻互動等。另一類信息型智能包裝則是利用生物、 化學、 物理等原理，利用包裝監(jiān)測、 反饋商品的使用環(huán)境信息及質量變化， 如利用物理、 動力學手段監(jiān)測包裝運輸過程中碰撞、 傾倒、溫濕度及壓力變化，或者利用生物、化學等方法監(jiān)測由于環(huán)境變化引起包裝產品變質的問題。如利用TTI標簽監(jiān)測包裝溫度變化，通過時間溫度積累數據監(jiān)控、記錄環(huán)境溫度，更好保障食品、藥品運輸和保存［33］;對新鮮度要求較高的食品包裝，利用CO2傳感器可監(jiān)測內裝食品的新鮮狀態(tài)［34］;對壓力、震動等敏感的包裝，可采用壓力和震動傳感包裝，當外部條件達到臨界值時，發(fā)出警示更好保護產品［35］。

目前，隨著印刷電子技術的不斷發(fā)展，結合印刷電子技術的信息型智能包裝應用也越來越廣泛。通過印刷電子技術， 利用具有導電功能油墨等材料可實現在紙張、 薄膜、 塑料薄片等多種承印物上， 制造電池、 柔性顯示器、傳感器、射頻識別標簽等，實現智能包裝的小型化、柔性化，柔性印刷電子技術將有力推動和改變智能包裝的應用。江耀曦［36］對印刷電子學在智能包裝上的應用展開分析，通過印刷電子技術制作低壓環(huán)保印刷電池、無源射頻識別智能包裝等傳感元件，用傳統(tǒng)的印刷方式實現智能傳感器件的規(guī)模生產制作，使得其在智能包裝行業(yè)有較好的應用前景;朱新新［34］則指出結合印刷電子技術的智能包裝，體現出優(yōu)異的實用性，相對于其他類型的智能包裝具有技術優(yōu)勢，也為智能包裝注入新活力。

1.3

智能包裝發(fā)展趨勢

隨著物聯(lián)網、人工智能、 5G技術的迅速發(fā)展，人類的生產生活將進入“萬物互聯(lián)”時代，智能數據應用分析的場景將越來越普遍，而智能包裝未來幾年內，將隨著5G技術普及、印刷電子技術及其相應材料、設備、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，不僅可以實現商品的防偽溯源、防竄貨、互動營銷、消費分析等，通過建立包裝數據化系統(tǒng)，使整個包裝制造和銷售過程信息透明化，實現包裝全過程可追蹤。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］：

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的快速發(fā)展， 采用印刷電子技術的印刷電池、 導電油墨線路、 印刷傳感器、印刷顯示器等，制作智能包裝具有柔性、環(huán)保、體積輕薄、成本低等特點，將極大推動功能性智能包裝發(fā)展。

食品、醫(yī)藥智能包裝：結合印刷電子、生物醫(yī)藥、電子信息、材料技術、食品保鮮等技術，研發(fā)針對食品、醫(yī)藥特定領域的功能性智能包裝。如面向醫(yī)藥領域的吃藥記錄和吃藥時間提醒醫(yī)藥包裝，采用食品新鮮度指示標簽記錄、反饋食品保質期的食品包裝等;冷鏈物流包裝利用印刷紙電池、溫度傳感器和RFID標簽等，可以實時監(jiān)控物流包裝的溫度和實現產品溯源追蹤。

具有交互體驗智能包裝：將交互體驗設計和智能包裝技術進行有效融合，使包裝從外觀上及表現形式上，可與消費者進行互動、情感交流，并結合內容定制，使包裝更加貼近消費者，獲得消費者認可。

3D打印智能包裝：利用3D打印技術，使智能包裝生產制造過程中的靈活、快速響應，縮短智能包裝產品開發(fā)和打樣時間，降低開發(fā)成本。此外， 在智能包裝中集成的功能器件也日益多元化， 包括柔性印刷電子技術、 碳納米材料技術、 硅光電技術、傳感器列陣、 生物傳感技術等， 可以為智能包裝帶來更全面的感知功能。隨著納米材料、 云計算、 大數據等發(fā)展，智能包裝的發(fā)展也呈現出多樣性和包容性，從單一功能拓展至多功能，使人機交互式溝通更為便捷，使得智能包裝更加主動地呈現出交互性，未來智能包裝的發(fā)展將呈現出百花齊放的局面。

2、印刷電子技術在智能包裝中應用

印刷電子技術是集印刷技術和電子技術于一體，采用傳統(tǒng)印刷技術來制備電子元器件或電路，是電子制造的一個新興產業(yè)技術領域［38-39］。印刷電子技術可直接將導電油墨、銀漿等功能性材料通過印刷、沉積的方式轉移到基材上形成指定的圖案和形式，與傳統(tǒng)電子制造技術相比， 印刷電子為“增材制造”，只需要在對應地方印刷上功能性材料，便可實現電子器件制作，可有效減少三廢污染。同時，印刷電子技術不需要大型的專業(yè)電子制造設備，對生產技術、場地面積、專業(yè)技術人員等要求較低，還可利用印刷技術可實現產品大規(guī)模和批量化的生產制造，降低生產成本［40-44］。印刷電子技術的不斷發(fā)展和技術逐步的提升，也為其在智能包裝中的應用提供有力技術支撐［45］。目前，印刷電子技術在智能包裝中應用主要在印刷紙電池、印刷傳感器和 RFID 印刷等方面。

2.1

印刷紙電池

印刷電池又叫紙電池，是將具有導電特定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家張霞昌提出，紙電池以柔性材料為基底，將正負極、電解質、集電極等封裝形成封閉的電化學體系，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，并實現電池小型化、柔性化，現已初步應用到微型標簽顯示器、智能卡、化妝品包裝等領域。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電油墨微圖案，該產品具有高柔彈性，可用于制造柔性電極、柔性電池等;Kang 等［47］采用絲網印刷技術在鋁塑膜上，連續(xù)印刷集流體、活性層、電解質層等，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，通過電解反應產生電流成功制成“紙電池”。

印刷電池的出現，賦予包裝產品新的生命和表現形式，它可作為智能包裝的實現智能功能的電源，成為智能包裝的源動力，將原來靜態(tài)的包裝產品變成可發(fā)光、發(fā)聲的包裝，豐富包裝表象形式，使普通商品包裝變成智能包裝。同時，柔性化和微型化的電池，使印刷電池可根據包裝類型、結構和產品需求實現定制生產。目前，基于印刷電子的智能包裝主要應用有 RFID 標簽、傳感器標簽、智能防偽標簽等。

2.2

印刷傳感器

由于印刷電子具備的綠色環(huán)保、大批量、低成本的特點，隨著印刷電子技術在設備、材料和制備工藝方面的不斷進步， 也為其應用在傳感器制備方面提供良好基礎。采用印刷電子技術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行有效結合后，便賦予包裝豐富的感知功能。Bruno 等［49］人則提出一種基于 PET 基底的壓力傳感器，通過檢測基底電阻的變化與壓力之間的變化關系，可感知外界壓力變化情況，可用于監(jiān)測包裝運輸過程中壓力變化，防止包裝出現損壞;Bing Sun 等［50］對由聚乙烯氧化物為主的固態(tài)聚合物電解質材料組分進行優(yōu)化調整，制備獲得用于監(jiān)測溫度變化的傳感器，可用于生鮮包裝、水果、牛奶等對溫度敏感產品包裝中;將導電油墨、生物制劑結合印刷電極，可制備得到氣味檢測電化學傳感器，可用來檢測食品是否變質等［51］。結合印刷傳感器技術，使包裝產品具備感知功能，才能使包裝真正實現智能化。

2.3

RFID 印刷

RFID是目前應用較為廣泛的智能包裝技術，但是傳統(tǒng)的RFID由于存在明顯的缺陷，導致難以大面積普及和推廣。同時無源RFID讀取不便、易受干擾， RFID天線印刷制備復雜，生產過程產生大量廢液等污染物，也阻礙RFID在包裝中的應用和發(fā)展。而印刷電子技術的出現和興起，可為RFID提供很好的解決方案。目前，采用絲網印刷和噴墨打印可直接實現RFID天線印制，印刷紙電池的出現則很好解決無源RFID在讀取精度、范圍、靈敏度等方面的缺陷。采用印刷電子技術制備RFID可實現大規(guī)模生產制作，有效降低生產成本，加快其在智能包裝行業(yè)中的應用。RFID印刷研究重點主要在導電油墨研究方面， Merilampi等［52］通過研究獲得一種含聚合物銀導電墨水，在紙質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導電油墨，并通過絲網印刷獲得不同銀含量油墨在相對應條件下的印刷工藝參數。

目前，基于RFID技術的智能讀寫標簽已廣泛應用在瓦楞包裝、塑料包裝、食品、藥品、酒類等包裝中，在食藥品包裝中，通過將RFID標簽、傳感器、印刷電池等集成在包裝上，可實時采集包裝流通過程中信息，監(jiān)控產品質量，還可用來防止假冒和偽造;在酒類包裝中，通過RIFD的定位功能，可有效防止假冒產品和產品竄貨;在瓦楞紙箱和塑料包裝容器中，則可利用RIFD定位、追蹤功能，實現產品回收和循環(huán)利用。

3、印刷電子智能包裝應用實例

在物聯(lián)網、移動互聯(lián)網和5G技術的進一步結合和發(fā)展，同時隨著印刷電子技術及其相應的材料、工藝、產品的逐漸成熟，結合印刷電子技術在智能包裝呈現出更廣泛的功能，其應用情況場景也不斷豐富，具體應用實例如下。

3.1

印刷紙電池在智能包裝中應用實例

基于印刷紙電池技術的智能包裝，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， 使包裝產品在不同應用場景實現不同功能，相關應用實例如表1所示［37］。

3.2

印刷傳感器在智能包裝中應用實例

印刷傳感器在智能包裝中應用，主要是利用傳感器監(jiān)測包裝產品質量，監(jiān)控外部環(huán)境情況、供應鏈、運輸情況等，使包裝產品具備感知功能，具體應用實例如表2所示［37］。

3.3

RFID在智能包裝中應用實例

RFID/NFC在智能包裝中應用，主要是利用其具有的通信、定位和數據交換等功能，使其成為智能包裝體系中的感知層， 再集合管理系統(tǒng)和數據平臺， 對包裝在生產、 倉儲、 運輸過程中質量信息以及銷售分布等進行記錄、統(tǒng)計和分析，為產品銷售、生產等提供決策支持，具體應用實例如表3所示［37］。

4、結語

隨著印刷電子技術和智能包裝不斷深入結合，包裝功能將得到進一步的拓展和延伸，各種新興技術也將會不斷應用到包裝產品中，使包裝的智能化、實用化得到進一步提升，通過包裝品質優(yōu)化提升產品價值，從而使包裝產業(yè)更好服務制造業(yè)和國民經濟發(fā)展。在消費升級和新零售的助推下， 通過進一步開發(fā)形式多樣的智能包裝產品，豐富智能包裝在產品溯源、食品安全、智能及冷鏈物流、防偽驗證等方面的應用場景，形成智能包裝產業(yè)鏈，實現智能包裝更好更快發(fā)展。
責編AJX