智能包裝技術的研究及應用發展

智能包裝改進了傳統包裝的功能以及應用局限性，擁有更多的社會應用價值，具有極大的市場發展潛力。本文描述了智能包裝的功能以及應用，介紹了目前智能包裝領域的研究進展。

傳統包裝的基本功能主要分為保護、通信、運輸和儲存。在用于保護產品免受外部環境惡化影響的同時，包裝也被作為了商品的一種營銷工具，為消費者提供了一定的易用性和便利性。但隨著社會的發展進步、物質的極大豐富以及消費層次的進一步細化，傳統的包裝模式已不能滿足人們對于商品包裝的需求。于是，人們開始尋求具有增強功能性的創新包裝，以響應消費者對多樣化功能和應用的需求，從而間接帶動了包裝技術的交叉發展，并拓展了其應用范圍。

隨著材料科學、計算機技術與人工智能等相關技術的進步，加速了傳統包裝向智能包裝的轉型升級。智能包裝改進了傳統包裝的功能以及應用局限性，具有適應各種刺激和環境變化的能力。為了實現智能包裝材料的創新特性和卓越性能，人們通常使用多功能材料以及多功能傳感器進行創新性整合應用。包裝上新增的“智能裝備”具有改變其傳統包裝物理特性限制的能力，并且具有作為對特定刺激因素的響應能力。

智能包裝按照功能和應用可以分為三大類，即感應顯示的智能包裝、防偽識別的智能包裝以及環境監測的智能包裝。它們彼此之間并不是互相獨立的，而是具有互通性。任何智能包裝都可以具有多種智能響應的效果。因此，大力發展智能包裝有助于實現多場景應用，市場前景廣闊。

技術原理

1. 智能包裝的感應顯示

（1）光致變色在智能包裝中的應用

光致變色材料在技術上可用作智能包裝材料或包裝系統的一部分。光致變色材料在光的發射過程中存在 不 同 的 反 應 速 率 和 褪 色 程 度。Herzer等人在不使用電池的情況下，利用膽甾型液晶 (CLC) 制備了一種雙響應光學傳感系統。在這項研究中，變色聚合物的顏色從紅色變為黃色，因為水可以通過聚合物膜的膨脹（水分的吸收和解吸）來引導分子實現螺旋結構。螺旋結構導致產生新的顏色變化。另外，美國公司 PrintPack 制備了一種基于光致變色聚合物油墨的柔性智能包裝。這種機制將光致變色材料隱形在設計的包裝結構中，并且只有當包裝暴露在陽光下時才可觸發光致變色過程并出現隱形現象。隱形設計的智能包裝可以準備成任何圖案或者形狀，以滿足不同客戶的需求。Tan 等人制造了一種實現可逆性和不可逆性光響應大分子，在暴露于紫外光時光致變色分子占據較低的能態并表現出新的光學性質。將該項光致變色技術運用到智能包裝中，通過在不同光照下的變色不同，實現觀賞、監測、控制和識別等功能。

（2）熱致變色在智能包裝中的應用

為響應高溫和輻射等環境刺激，溫度變化導致的熱致變色可以實現在可見光范圍內的吸收光譜從高波段轉移到低波段進行吸收，從而 引 起 顏 色 的 變 化。 一 種 PDA 的熱致變色材料可逆或不可逆地將其顏色從藍色變為紅色，因此可以通過 預 測 PDA 中 的 各 種 變 色 過 程，增強其在智能包裝產品中的適用性。Park 等人制備了一種基于 PDA的 薄 膜， 用 于 熱 致 變 色 標 簽， 在20?C ～ 65?C 范圍內表現出感溫響應。HEATmarkerVR 是另一種基于二乙炔單體聚合的溫度響應顯色系統，已用于醫藥和疫苗儲存。該系統還為消費者提供了產品的熱暴露是否超過預設限制的視覺指示，使用指示區域產生較深顏色變化表示包裝產品的變質和保質期。這個熱致變色技術對于智能包裝具有很好的相關性，尤其是針對溫度敏感容易變質的食品，通過這項熱致變色技術的融合，提供監測技術的同時降低了損失，并保障了消費者的安全。

（3）電致變色在智能包裝中的應用

電致變色技術是一種新型的主動變色技術，在智能包裝中的應用研究備受關注。共軛聚合物因其高光學對比度和適當的色彩穩定性而作為電致變色材料被廣泛用于智能包裝中。佐治亞理工學院的研究小組制備了水性電致變色薄膜油墨，該系統將微小的電氣劑用于包裝、太陽鏡、智能窗戶或后視鏡中。在柔性基材上進行電致變色印刷是一種制備電致變色智能包裝的可行方法，因為它可以應用在各種不同形狀的基材上，從而以嵌入的方式應用在包裝產品中，并且通過一體成型技術將印刷和包裝成型工藝進行融合。但電致變色油墨同時存在一個嚴重的缺點，因為它們絕大部分都包含有機溶劑。油墨和溶劑起著關鍵作用，所以可燃性、泄漏和從溶劑到包裝產品的氣味散發被認為是主要缺點。因此，針對食品包裝的安全性和適用性而言，電致變色更多地使用在非食用性包裝以及工業化包裝應用中。

2. 智能包裝的防偽識別

（1）條形碼 / 二維碼在智能包裝中的應用

條形碼是最便宜和最流行的數據載體形式。20 世紀 70 年代，通用產品代碼（UPC）條碼出現并開始在雜貨店推廣使用，用于促進庫存控制、庫存重新排序和結賬。RSS擴展條碼（也提供堆疊格式）最多可編碼 74 個字母數字字符，可用于需要更大數據容量來編碼附加信息的可變尺寸產品，如按重量出售的肉類和海鮮等。

二維碼是在一維條碼的基礎上擴展出的，具有可讀性。相比于條碼，二維碼在很小的面積內能承載大量信息、安全保密性更強，識別效率也更高。隨著無線手持式二維碼 /條碼掃描器的出現，二維碼的識別成本大大下降，進一步推動了它的廣泛應用，成為智能包裝防偽監測的重要手段之一。

（2）射頻識別技術在智能包裝中的應用

射頻識別技術（RFID）標簽是一種高級形式的數據載體，用于自動識別和追溯產品。RFID 標簽可分為兩種類型：無電池且由閱讀器提供能量供電的無源標簽和有電池為微芯片電路供電并向閱讀器傳遞廣播信號的有源標簽。

與條碼相比，RFID 標簽有著獨特的特點：RFID 標簽不需要面向讀取器來進行數據傳輸，因為無線電波可以穿過各種非金屬材料；提供更大的數據存儲容量（高端 RFID 標簽高達 1MB），可用于存儲溫度和濕度的數據、營養成分信息和交通信息等；一些 RFID 標簽支持讀寫操作，這有助于為標簽物品在供應鏈中移動時提供實時信息更新。值得一提的是，RFID 可以快速地同時讀取多個標簽。

盡管如此，RFID 標簽通常不會被視為條形碼的替代品。由于這兩種數據載體各有優缺點，它們經常被單獨或組合使用。近年來，RFID技術在食品包裝中得到大量使用，用于識別和采集環境、物流溯源等數 據。 成 本 問 題 是 傳 統 RFID 技 術商業化的主要障礙。但是，無芯片RFID 有可能通過提供更簡單的低成本標簽結構來緩解這些問題，這種結構可以完全印刷在低成本的基材上（紙張、塑料）。

3. 智能包裝的環境監測

（1）時間 - 溫度指示器在智能包裝中的應用

在物理和化學學科中 , 溫度是影響化學反應和力學性質的重要因素。時間 - 溫度指示器（TTI）通常是貼在運輸容器或單個消費包裝上的小型不干膠標簽。TTI 可用作智能包裝中的智能設備，因為此類系統可以通過監測時間和溫度來檢測與包裝內部質量相關的關鍵參數。它們還被作為食品的“新鮮度指標”，用于估算生鮮產品的剩余保質期。這些標簽的反應通常與溫度有關，例如對顏色強度的增加和染料沿直線路徑的擴散距離進行判斷監測。

（2）氣體探測器在智能包裝中的應用

由于包裝內部產品的活性、包包裝內外部空間中的氣體成分經常發生變化。尤其是新鮮農產品的呼吸作用、腐敗微生物產生的氣體，氣體通過包裝材料的傳輸和包裝泄漏，都可能導致包裝內的氣體成分發生變化。包裝標簽或印刷在包裝薄膜上的氣體指示器可以監測氣體成分的變化，從而提供了一種監測食品質量和安全的手段。氧氣指示劑是食品包裝應用中最常見的氣體指示劑，因為空氣中的氧氣會導致氧化、顏色變化和腐壞。水蒸氣、二氧化碳、乙醇、硫化氫和其他氣體相應的氣體指示劑也具有相同的效果。例如 Hong 和 Park 在聚合物薄膜中使用由二氧化碳吸收劑和化學染料組成的二氧化碳指示劑來測量泡菜產品在儲存和配送過程中的發酵程度。

（3）泄漏檢測在智能包裝中的應用

包裝的密封性是包裝袋最重要的包裝性能之一，密封性的好壞決定了被包裝物品的存放時間，特別是食品、藥品這種易發生變質、腐壞的物品。確保包裝材料的密封質量將有利于滿足包裝行業和普通消費大眾的需求。傳統包裝外部的聚烯烴材料起到保護紙板的作用，并作為印刷的基材。為了起到防水的作用，在某些情況下還會在包裝的外部材料上添加蠟涂層。一種測試包裝密封質量的自動壓差測試方法能夠在 30s 內測試出包裝的密封性。配合這項技術實現的智能包裝，可以解決傳統包裝泄漏的重大問題，有助于推動智能包裝領域的發展。

應用前景

隨著時代的發展，智能包裝逐漸從低端過渡到高端應用中。在成本控制得體的前提下，智能包裝能在很大程度上解決傳統包裝的功能性應用問題，彌補了功能性應用過程中的短板和缺陷，進一步拓展了智能包裝在各個領域的應用。顯色技術的添加一定程度上提高了包裝的觀賞性和實用性。基于這項技術獲得的智能包裝，通過變色的手段改變包裝原有的基礎形貌，在不同光學、熱學、電學甚至力學環境下，獲得觀賞、監測、感應等效果。因此，顯色材料是智能包裝中最為關鍵的一部分，具有廣泛的利用價值。

對于防偽識別，傳統包裝的識別手段主要通過條形碼實現對產品的識別和記錄。而條形碼本身具有一定的局限性，因此限制了其在防偽領域的更多發展。而二維碼的出現提供了更大的應用潛力，除了具有識別、記錄的功能，還可以通過與終端設備的數據互通，實現防偽識別的效果，每個相同產品之間的“身份信息”也大不相同。因此，通過使用二維碼對產品進行溯源、辨別以及防偽，可以進一步促進產品與消費者之間的信息互通。另外在技術上，二維碼與 RFID 技術的結合，利用與終端設備的互動，增加點對點之間的互通性，甚至能夠在無源的條件下實現數據的傳輸。在識別方面，不需要通過近距離接觸就能高效準確地判斷商品的具體信息，為智能包裝在識別、運輸以及防偽等功能使用上提供了極大的便利性。

對于環境監測，往往不能忽視環境對包裝存在著的潛在影響，傳統的包裝應用避免不了由于內外界環境因素造成的影響和損失。而將監測傳感功能引入到智能包裝中，針對溫度、濕度、pH 值、氣體、時間等環境因素，對自身產品所需的條件進行智能監測，可以有效避免內部或者外部環境對包裝產品的影響。值得一提的是，食品包裝內部的泄漏、腐爛以及變質也會造成極大的損失，通過智能包裝傳感器的介入實現的智能監測，保障了消費者的安全。

結語

智能包裝在成為包裝科學和技術新趨勢的同時，正逐漸與包裝科學、食品科學、生物技術、傳感器科學、信息技術、納米技術等學科融合，正成為包裝科學與技術的新領域和新分支。與高新技術的融合有助于推動包裝行業的發展，提高人們的生活質量、社會需求和便利性。 在 未 來， 智 能 包 裝 將 突 破 更多的技術難點，深入探討技術與技術 之 間 的 創 新 性 融 合， 進 一 步 推動交叉學科的進步，尋覓兩者之間潛在的可能性以及社會需求，促進智能包裝領域的獨特性發展以及進步。