详解柔性印刷电子与智能包装应用(上篇)

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印刷本身是一种制造技术,可以运用在许多产业领域,正如3D打印可以用来造房子、制作飞机零件、打印人体器官,甚至做食品。印刷电子涵盖的产业领域首先体现在产品端。上文中已经描述了众多印刷电子的应用领域。任何这些应用只要有合适的产品与足够大的市场,都可以形成一个产业。
- 节选自《2019柔性印刷电子产业发展白皮书》
 
1 智能包装的定义
智能包装(intelligentpackaging,IP),指通过创新思维,在包装中加入了更多机械、电气、电子、信息和化学性能的等新技术,使其既具有通用的包装功能,又具有一些特殊的性能,以满足商品的特殊要求和特殊的环境条件。智能包装具有如感知、检测、记录、追踪、通讯、逻辑等智能功能,可追踪产品、感知包装环境、通讯交流,从而促进决策,达到更好地实现包装功能的目的。智能包装分为功能型智能包装、结构性智能包装、信息型智能包装。其中又涉及到保鲜技术、水溶膜包装技术、二维码技术、包装性与结构创新技术、便携包装技术、纹理防伪技术、磁共振射频防伪识别技术、食品安全溯源方案技术等。

图: 智能包装的分类

a) 功能型智能包装
功能材料型智能包装是指通过应用新型智能包装材料,改善和增加包装的功能,以达到和完成特定包装的目的。目前,研制的材料型智能包装,通常采用光电、温敏、湿敏、气敏等功能材料,对环境因素具有“识别”和“判断”功能的包装。包装材料复合制成,它可以识别和显示包装微空间的温度、湿度、压力以及密封的程度、时间等一些重要参数。这是一种很有发展前途的功能包装,对于需长期贮存的包装产品尤为重要。
b) 结构型智能包装
能结构型智能包装是指通过增加或改进部分包装结构,而使包装具有某些特殊功能和智能型特点。功能结构的改进往往从包装的安全性、可靠性和部分自动功能入手进行,这种结构上的变化使包装的商品使用更加安全和方便简洁。
c) 信息型智能包装
信息型智能包装技术主要是指以反映包装内容物及其内在品质和运输、销售过程信息为主的新型技术。这项技术包括两方面:其一,商品在仓储、运输、销售期间,周围环境对其内在质量影响的信息记录与表现;其二,商品生产信息和销售分布信息的记录。记录和反映这些信息的技术涉及化学、微生物、动力学和电子技术。信息型智能包装技术是最有发展活力和前景的包装技术之一。
智能包装技术是集合了多元知识基础的新兴技术分支。创造性设计和人本位思想则是“智能化包装”技术的精髓。包装智能化技术的出现使商品及其包装对于人类更具有亲和力,使商务信息的人机交互式沟通更为简捷。智能型包装在保护消费者权益与人身安全、保护市场正常秩序、方便商务电子化、开发新颖的产品消费形式方面将起到其重要的作用,具有极广阔的发展前景。
近年来迅速发展的印刷电子技术将传统的印刷工艺应用于制造电子元器件和产品,其最大特点是它们不依赖于基底材料的导体或半导体性质,可以以薄膜形态沉积到任何材料上。在绝大多数的智能包装应用中,都可以通过整合印刷电子技术,实现更多“智能”属性,例如在仓储、运输、销售过程中的质量信息记录与表现等,并具备柔性、环保、低成本等优势,如图6-11所示。
图: 印刷电子技术在智能包装中的应用领域
 
2 智能包装国内外发展现状
近年来,随着材料科学、现代控制技术、计算机技术与人工智能等相关技术的进步,带动了智能包装的飞速的发展。第一代智能包装技术基于光学/视觉识别,侧重于通过光学特性解决防伪、追踪、防盗等问题,其特点是只利用一种技术;第二代智能包装技术将融合印刷电子RFID、柔性显示等新型技术,使商品及其包装对于人类更具有亲和力,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物联网特性。 
图: 智能包装技术的发展趋势
欧盟国家近10年来开展了大量与智能包装有关的研发项目,主要的研究单位有: TNO-Holst Centre,Fraunhofer Institute,VTT Technical Research Centre of Finland,Technologie-Transfer-ZentrumBremerhaven等。通过 Web of Science 检索可知,近 10年来(2009—2019),以intelligent  packaging 和 smart  packaging为主题发表的论文分别有379 篇和283 篇,且发文量呈逐年快速上升的趋势。这些检索数据从一个侧面反映了智能包装技术研究的热度。
智能包装应用在几乎所有的产品领域,包括电子、食品、饮料、医药、生活用品等。智能包装日益成为产品功能的延伸,并成为集成各种创新技术手段的载体,高新技术的浪潮将包装推向了更高的发展境界,智能包装将成为物联网产业下一个风口。据IDTechEx预测,10年内电子智能包装设备的全球需求额将迅速增长至14.5亿美元。根据Technavio最新的报告,预计全球智能包装市场将以近8%的复合年增长率增长,到2019年超过310亿美元。电子包装(e-packaging)市场的主要服务对象仍将以拥有电子功能的包装消费品(CPG)为主,其10年内的总产品数量将增至145亿件。
图: 智能包装典型应用
包装工业是与国计民生密切相关的服务型制造业,在国民经济与社会发展中具有举足轻重的地位。“十二五”期间,我国包装工业规模稳步扩大,对国民经济的支撑能力显著提升,进一步完善了涵盖设计、生产、检测、流通、回收循环利用等产品全生命周期的包装产业链体系,形成了包装材料、包装制品、包装装备 3个产品大类和纸包装、塑料包装、金属包装、玻璃包装、竹木包装 5 大子行业。但智能包装材料在中国的发展仍处于起步阶段,潜在市场巨大。以食品包装为例,目前,国内食品安全形势十分严峻,且已经达到迫在眉睫的程度,因此我们亟须从包装上提高智能化,最大程度地利用各种手段保证食品安全。为此,中国包装工业发展规划(2016—2020 年)明确了包装工业发展重点为:面向建设包装强国的战略任务,坚持自主创新,突破关键技术,全面推进绿色包装、安全包装、智能包装一体化发展,有效提升包装制品、包装装备、包装印刷等关键领域的综合竞争力。在推动智能包装快速发展方面,提出“以智能包装为两化深度融合的主攻方向,推进生产过程智能化,着力发展智能包装产品,大力提升包装产业信息化水平”

3智能包装的市场需求
a)现阶段我国大陆地区企业规模偏小,创新力不强,造假贩假企业较多。造假贩假涉及15个经济领域、2600多个品牌、受侵害企业(公司)达数万家。每年经济损失数千亿,年均损失税收250亿。市场研究机构PIRA的调查报告曾显示,因假冒品催生的全球品牌保护技术的市场规模到2018年将达37.8亿美元,较2008年的17.1亿美元增长121%,年平均增长率为10.2%。五粮液集团已经在多种高端名酒上采用一次性超高频RFID电子防伪标签,是行业内应用防伪技术的风向标。每年国家有数亿经费用于烟草及酒类防伪应用推广,RFID电子标签成为新增应用的核心技术。
b)由于多数疫苗产品需要冷藏保存和运输,而现有监管手段只能通过核查运输和储存渠道来确定其质保,并无直观检验手段。对于智能包装需求最为明显的两个行业,一个是疫苗,一个是医药。疫苗产品需要冷藏保存和运输,在各个环节还需要核查、监管,以确保疫苗质量。在采用智能包装后,生产、运输、监管等环节变得高效便捷。医药产业同样如此,而且智能包装还可以为消费者提供定时、剂量提醒等功能。食品生鲜、高端酒类同样对过程物流及温度信息有着明确的需求。
c)智能包装在供应链创新中的作用凸显。2017年10月13日,国务院办公厅印发了《关于积极推进供应链创新与应用的指导意见》提出要"加快供应链创新与应用,促进产业组织方式、商业模式和政府治理方式创新,推进供给侧结构性改革",这是我国首次专门针对供应链领域出台的国家级政策,标志着供应链创新与应用发展进入加速提升阶段,具有里程碑意义。意见中提出,要促进制造供应链可视化和智能化。推动感知技术在制造供应链关键节点的应用,促进全链条信息共享,实现供应链可视化。建立基于供应链的重要产品质量安全追溯机制,将供应链上下游企业全部纳入追溯体系,构建来源可查、去向可追、责任可究的全链条可追溯体系,提高消费安全水平。包装作为供应链体系的载体,与产品上下游企业密切相连,在产品原材料、生产、仓储、物流、销售、消费的整个生命周期中扮演着重要角色。要实现制造供应链可视化和智能化,以及实现基于供应链的重要产品质量安全追溯机制,智能包装系统将是不可或缺的重要环节。
d)智能包装在“新零售”(无人超市等)中的将发挥重要作用。随着高新技术的快速发展以及消费需求的不断升级,特别是2017年以来“新零售”理念的推进,对于智能包装的需求更为明显和迫切,我们相信,智能包装的应用领域将会进一步扩大,未来将会拓展到与人们生活及国民经济相关的各行各业。

—— 未 完 待 续 ——


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图:《PEIPC全球智能包装应用案例集》


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