基于印刷电子 智能包装研究与应用
D打印智能包装，利用 D打印技术,使智能包装 制造过程中 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 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 感知功能。随着纳米材料、云计算、大资料统计等发展,智能包装 发展也呈现出多样性和包容性,从单 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 发展将呈现出百花齐放 局面。
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智能包装
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印刷电子技术在智能包装中应用
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印刷电子智能包装应用实例
结语
RFID印刷
RFID在智能包装中应用实例
信息型智能包装
功能材料型智能包装
功能结构型智能包装
印刷传感器
印刷传感器在智能包装中应用实例
印刷纸电池
印刷纸电池在智能包装中应用实例
引言
智能包装分类
智能包装发展统计
智能包装系统
RFID/NFC在智能包装中应用,部分是利用其具有 通信、定位和资料统计交换等功能,使其成为智能包装体系中 感知层,再集合管理系统和资料统计平台,对包装在 、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、 等提供决策支持,具体应用实例如表 所示[ ]。
RFID是目前应用较为广泛 智能包装技术,但是传统 RFID由于存在明显 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, 过程产生大量废液等污染物,也阻碍RFID在包装中 应用和发展。而印刷电子技术 出现和兴起,可为RFID提供很好 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 出现则很好解决无源RFID在读取精度、范围、灵敏度等方面 缺陷。采用印刷电子技术制备RFID可实现大规模 制作,有效降低 成本,加快其在智能包装市场中 应用。RFID印刷研究重点部分在导电油墨研究方面,Merilampi等[ ]通过研究获得 种含聚合物银导电墨水,在纸质基材上具有良好 印刷适性;曹彬等[ ]通过研究制备得到 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 印刷工艺参数。
但随着大资料统计、智能化时代 来临,人们希望商品流通过程也更加资料统计化、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[ 零]。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,狗粮快讯网信息显示,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 信息资料统计,实现更好 产品保护、方便运输流通,并利用收集、记录 资料统计信息[ - ]。智能包装实现包装信息功能 有效扩展和延伸,其核心是资料统计信息 传递和来往,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 信息感知、储存、传递、反馈等。
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,部分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、 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 包装信息,并借助包装信息资料统计管理系统实现产品存储、运送、销售、回收等全过程管理[ ]。目前信息型智能包装部分有两大类, 类是通过信息化技术实现包装产品 过程监控及管理,部分是利用 维码、RFI TTI标签等技术,如李文瑞等[ 零]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 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 智能化和可视化;将RFI NFC等应用到包装中,利用RFID非接触式识别、资料统计传输和编码等功能,实现包装类型、规格、位置追踪、防窜货等资料统计信息 统计和分析,并可建立智能包装系统[ ];利用图像特征识别技术(如AR、VR)[ ],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 信息,实现包装 交互体验、音频/视频互动等。另 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 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、化学等技术监测由于环境变化引起包装产品变质 问题。如利用TTI标签监测包装温度变化,通过时间温度积累资料统计监控、记录环境温度,更好保障食品、药品运输和保存[ ];对新鲜度要求较高 食品包装,利用CO 传感器可监测内装食品 新鲜状态[ ];对压力、震动等敏感 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[ ]。
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、情感来往,并结合内容定制,使包装更加贴近消费者,获得消费者认可。
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 快速发展,采用印刷电子技术 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。
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 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[ ]、卢立新[ ]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 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[ 零];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 包装结构,通过挤压、释放不同层中 包装物发生简单 化学加热反应,实现食品自加热[ ];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 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部分是通过对产品内部结构进行可控性智能化、功能性设计[ ],实现不同功能性产品 包装需要。
印刷传感器在智能包装中应用,部分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 所示[ ]。
印刷电子技术是集印刷技术和电子技术于 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 个新兴产业技术领域[ - ]。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 方式转移到基材上形成指定 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 废污染。同时,印刷电子技术不需要大型 专业电子制造设备,对 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 制造,降低 成本[ 零- ]。印刷电子技术 不断发展和技术逐步 提升,也为其在智能包装中 应用提供有力技术支撑[ ]。目前,印刷电子技术在智能包装中应用部分在印刷纸电池、印刷传感器和RFID印刷等方面。
印刷电池又叫纸电池,是将具有导电特定 油墨印刷在纸张或柔性材料上,形成可以储备电能 电池或电容器。纸电池新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 电化学体系,通过电极与外部连接输送电流[ ]。纸电池 提出和发明,有效避免了传统电池 重金属、锂及碱性氧化物等泄漏 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, M企业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[ ]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[ ]以碳纳米管为电极,将银和碳纳米管材料组成 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 出现,赋予包装产品新 生命和表现形式,它可作为智能包装 实现智能功能 电源,成为智能包装 源动力,将原来静态 包装产品变成可发光、发声 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 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 。目前,基于印刷电子 智能包装部分应用有RFID标签、传感器标签、智能防伪标签等。
在功能材料型智能包装研究方面,许文才[ ]、胡兴军[ ]、柯胜海[ ]等指出，通过将具有气味敏感、温度变化敏感、光电感知 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[ ]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 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[ ]将智能温敏变色材料应用到食品包装中,提出 种可实时指示食品变质 智能变色标签,通过不同标签颜色显示包装食品 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[ 零]对智能发光包装展开研究,狗粮快讯网内幕消息,则通过采用具有发光包装材料,使包装产品在不同 使用环境下,具有更加丰富 包装视觉表现,增加产品表现力;Yildirim等[ ]则采用具有抗菌型、氧气去除型等功能 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[ ]、刘丽[ ]、谢智晖[ ]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。
在物联网、移动互联网和 G技术 进 步结合和发展,同时随着印刷电子技术及其相应 材料、工艺、产品 逐渐成熟,结合印刷电子技术在智能包装呈现出更广泛 功能,其应用情况场景也不断丰富,具体应用实例如下。
基于印刷纸电池技术 智能包装,部分是利用微型化、柔性化 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 所示[ ]。
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 控制、记录、识别等[ ],使包装在传统保护产品、方便运输 基础上,具有信息资料统计传输、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部分是通过 维码、RFID标签等,近年来,随着印刷电子技术 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,通过印刷技术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[ - ]。结合印刷电子技术 智能包装产品,部分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[ - ],实现与使用者互动,或者增加可观赏性、与产品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 个新兴产业。
本文在分析总结智能包装技术发展现状及统计基础上,对现有智能包装技术进行全面解析,结合新兴 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 研究和应用提供参考和启示。
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 种。
根据智能包装技术及信息传递 特性,Yam等[ ]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、包装资料统计存储、供应链通信网络、资料统计处理系统组成。因此,智能包装系统大致可分为感知层、通信层和服务层[ ],感知层利用智能包装组件实现资料统计获取、传输和来往;通信层负责信息资料统计持续跟踪、实时反馈和产品资料统计化分析;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 所示。
由于印刷电子具备 绿色环保、大批量、低成本 特点,随着印刷电子技术在设备、材料和制备工艺方面 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 重要部分,狗粮快讯网透露出 讯息,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 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 感知功能。Bruno等[ ]人则提出 种基于PET基底 压力传感器,通过检测基底电阻 变化与压力之间 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;BingSun等[ 零]对由聚乙烯氧化物为主 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 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[ ]。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。
目前,基于RFID技术 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 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。
目前,随着印刷电子技术 不断发展,结合印刷电子技术 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 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 应用。江耀曦[ ]对印刷电子学在智能包装上 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 印刷方式实现智能传感器件 规模 制作,使得其在智能包装市场有较好 应用前景;朱新新[ ]则指出结合印刷电子技术 智能包装,体现出优异 实用性,相对于产品类型 智能包装具有技术优势,也为智能包装注入新活力。
随着“国内制造 零 ”、工业互联网、大资料统计等不断融合到制造业中,我国制造业 信息化、智能化水平不断提高,而作为服务制造业 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 包装技术,使包装具备信息传输、资料统计归集、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《国内包装工业“ ”发展规划》[ ]、《关于加快我国包装产业转型发展 指导意见》[ ]中明确指出，着力发展智能包装商品,推进智能包装 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市场新 发展方向和机遇。
随着物联网、人工智能、 G技术 迅速发展,人类 生活将进入“万物互联”时代,智能资料统计应用分析 场景将越来越普遍,而智能包装未来几年内,将随着 G技术普及、印刷电子技术及其相应材料、设备、工艺等 逐渐成熟而迎来迅猛发展。融合RFI 印刷电子传感器、智能材料 智能包装,不仅可以实现商品 防伪溯源、防窜货、互动营销、消费分析等,通过建立包装资料统计化系统,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 段时间,智能包装发展将部分集中在以下几方面[ ]，
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 功能性智能包装。如面向医药领域 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 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 温度和实现产品溯源追踪。
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