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智能包装技术的研究及应用发展

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发表时间:2023-11-10 10:40作者:梁勇军来源:印刷工业


智能包装改进了传统包装的功能以及应用局限性,拥有更多的社会应用价值,具有极大的市场发展潜力。本文描述了智能包装的功能以及应用,介绍了目前智能包装领域的研究进展。


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传统包装的基本功能主要分为保护、通信、运输和储存。在用于保护产品免受外部环境恶化影响的同时,包装也被作为了商品的一种营销工具,为消费者提供了一定的易用性和便利性。但随着社会的发展进步、物质的极大丰富以及消费层次的进一步细化,传统的包装模式已不能满足人们对于商品包装的需求。于是,人们开始寻求具有增强功能性的创新包装,以响应消费者对多样化功能和应用的需求,从而间接带动了包装技术的交叉发展,并拓展了其应用范围。

随着材料科学、计算机技术与人工智能等相关技术的进步,加速了传统包装向智能包装的转型升级。智能包装改进了传统包装的功能以及应用局限性,具有适应各种刺激和环境变化的能力。为了实现智能包装材料的创新特性和卓越性能,人们通常使用多功能材料以及多功能传感器进行创新性整合应用。包装上新增的“智能装备”具有改变其传统包装物理特性限制的能力,并且具有作为对特定刺激因素的响应能力。

智能包装按照功能和应用可以分为三大类,即感应显示的智能包装、防伪识别的智能包装以及环境监测的智能包装。它们彼此之间并不是互相独立的,而是具有互通性。任何智能包装都可以具有多种智能响应的效果。因此,大力发展智能包装有助于实现多场景应用,市场前景广阔。


技术原理

1. 智能包装的感应显示

(1)光致变色在智能包装中的应用

光致变色材料在技术上可用作智能包装材料或包装系统的一部分。光致变色材料在光的发射过程中存在 不 同 的 反 应 速 率 和 褪 色 程 度。Herzer等人在不使用电池的情况下,利用胆甾型液晶 (CLC) 制备了一种双响应光学传感系统。在这项研究中,变色聚合物的颜色从红色变为黄色,因为水可以通过聚合物膜的膨胀(水分的吸收和解吸)来引导分子实现螺旋结构。螺旋结构导致产生新的颜色变化。另外,美国公司 PrintPack 制备了一种基于光致变色聚合物油墨的柔性智能包装。这种机制将光致变色材料隐形在设计的包装结构中,并且只有当包装暴露在阳光下时才可触发光致变色过程并出现隐形现象。隐形设计的智能包装可以准备成任何图案或者形状,以满足不同客户的需求。Tan 等人制造了一种实现可逆性和不可逆性光响应大分子,在暴露于紫外光时光致变色分子占据较低的能态并表现出新的光学性质。将该项光致变色技术运用到智能包装中,通过在不同光照下的变色不同,实现观赏、监测、控制和识别等功能。

(2)热致变色在智能包装中的应用

为响应高温和辐射等环境刺激,温度变化导致的热致变色可以实现在可见光范围内的吸收光谱从高波段转移到低波段进行吸收,从而 引 起 颜 色 的 变 化。 一 种 PDA 的热致变色材料可逆或不可逆地将其颜色从蓝色变为红色,因此可以通过 预 测 PDA 中 的 各 种 变 色 过 程,增强其在智能包装产品中的适用性。Park 等人制备了一种基于 PDA的 薄 膜, 用 于 热 致 变 色 标 签, 在20˚C ~ 65˚C 范围内表现出感温响应。HEATmarkerVR 是另一种基于二乙炔单体聚合的温度响应显色系统,已用于医药和疫苗储存。该系统还为消费者提供了产品的热暴露是否超过预设限制的视觉指示,使用指示区域产生较深颜色变化表示包装产品的变质和保质期。这个热致变色技术对于智能包装具有很好的相关性,尤其是针对温度敏感容易变质的食品,通过这项热致变色技术的融合,提供监测技术的同时降低了损失,并保障了消费者的安全。

(3)电致变色在智能包装中的应用

电致变色技术是一种新型的主动变色技术,在智能包装中的应用研究备受关注。共轭聚合物因其高光学对比度和适当的色彩稳定性而作为电致变色材料被广泛用于智能包装中。佐治亚理工学院的研究小组制备了水性电致变色薄膜油墨,该系统将微小的电气剂用于包装、太阳镜、智能窗户或后视镜中。在柔性基材上进行电致变色印刷是一种制备电致变色智能包装的可行方法,因为它可以应用在各种不同形状的基材上,从而以嵌入的方式应用在包装产品中,并且通过一体成型技术将印刷和包装成型工艺进行融合。但电致变色油墨同时存在一个严重的缺点,因为它们绝大部分都包含有机溶剂。油墨和溶剂起着关键作用,所以可燃性、泄漏和从溶剂到包装产品的气味散发被认为是主要缺点。因此,针对食品包装的安全性和适用性而言,电致变色更多地使用在非食用性包装以及工业化包装应用中。

2. 智能包装的防伪识别

(1)条形码 / 二维码在智能包装中的应用

条形码是最便宜和最流行的数据载体形式。20 世纪 70 年代,通用产品代码(UPC)条码出现并开始在杂货店推广使用,用于促进库存控制、库存重新排序和结账。RSS扩展条码(也提供堆叠格式)最多可编码 74 个字母数字字符,可用于需要更大数据容量来编码附加信息的可变尺寸产品,如按重量出售的肉类和海鲜等。

二维码是在一维条码的基础上扩展出的,具有可读性。相比于条码,二维码在很小的面积内能承载大量信息、安全保密性更强,识别效率也更高。随着无线手持式二维码 /条码扫描器的出现,二维码的识别成本大大下降,进一步推动了它的广泛应用,成为智能包装防伪监测的重要手段之一。

(2)射频识别技术在智能包装中的应用

射频识别技术(RFID)标签是一种高级形式的数据载体,用于自动识别和追溯产品。RFID 标签可分为两种类型:无电池且由阅读器提供能量供电的无源标签和有电池为微芯片电路供电并向阅读器传递广播信号的有源标签。

与条码相比,RFID 标签有着独特的特点:RFID 标签不需要面向读取器来进行数据传输,因为无线电波可以穿过各种非金属材料;提供更大的数据存储容量(高端 RFID 标签高达 1MB),可用于存储温度和湿度的数据、营养成分信息和交通信息等;一些 RFID 标签支持读写操作,这有助于为标签物品在供应链中移动时提供实时信息更新。值得一提的是,RFID 可以快速地同时读取多个标签。

尽管如此,RFID 标签通常不会被视为条形码的替代品。由于这两种数据载体各有优缺点,它们经常被单独或组合使用。近年来,RFID技术在食品包装中得到大量使用,用于识别和采集环境、物流溯源等数 据。 成 本 问 题 是 传 统 RFID 技 术商业化的主要障碍。但是,无芯片RFID 有可能通过提供更简单的低成本标签结构来缓解这些问题,这种结构可以完全印刷在低成本的基材上(纸张、塑料)。

3. 智能包装的环境监测

(1)时间 - 温度指示器在智能包装中的应用

在物理和化学学科中 , 温度是影响化学反应和力学性质的重要因素。时间 - 温度指示器(TTI)通常是贴在运输容器或单个消费包装上的小型不干胶标签。TTI 可用作智能包装中的智能设备,因为此类系统可以通过监测时间和温度来检测与包装内部质量相关的关键参数。它们还被作为食品的“新鲜度指标”,用于估算生鲜产品的剩余保质期。这些标签的反应通常与温度有关,例如对颜色强度的增加和染料沿直线路径的扩散距离进行判断监测。

(2)气体探测器在智能包装中的应用

由于包装内部产品的活性、包包装内外部空间中的气体成分经常发生变化。尤其是新鲜农产品的呼吸作用、腐败微生物产生的气体,气体通过包装材料的传输和包装泄漏,都可能导致包装内的气体成分发生变化。包装标签或印刷在包装薄膜上的气体指示器可以监测气体成分的变化,从而提供了一种监测食品质量和安全的手段。氧气指示剂是食品包装应用中最常见的气体指示剂,因为空气中的氧气会导致氧化、颜色变化和腐坏。水蒸气、二氧化碳、乙醇、硫化氢和其他气体相应的气体指示剂也具有相同的效果。例如 Hong 和 Park 在聚合物薄膜中使用由二氧化碳吸收剂和化学染料组成的二氧化碳指示剂来测量泡菜产品在储存和配送过程中的发酵程度。

(3)泄漏检测在智能包装中的应用

包装的密封性是包装袋最重要的包装性能之一,密封性的好坏决定了被包装物品的存放时间,特别是食品、药品这种易发生变质、腐坏的物品。确保包装材料的密封质量将有利于满足包装行业和普通消费大众的需求。传统包装外部的聚烯烃材料起到保护纸板的作用,并作为印刷的基材。为了起到防水的作用,在某些情况下还会在包装的外部材料上添加蜡涂层。一种测试包装密封质量的自动压差测试方法能够在 30s 内测试出包装的密封性。配合这项技术实现的智能包装,可以解决传统包装泄漏的重大问题,有助于推动智能包装领域的发展。


应用前景

随着时代的发展,智能包装逐渐从低端过渡到高端应用中。在成本控制得体的前提下,智能包装能在很大程度上解决传统包装的功能性应用问题,弥补了功能性应用过程中的短板和缺陷,进一步拓展了智能包装在各个领域的应用。显色技术的添加一定程度上提高了包装的观赏性和实用性。基于这项技术获得的智能包装,通过变色的手段改变包装原有的基础形貌,在不同光学、热学、电学甚至力学环境下,获得观赏、监测、感应等效果。因此,显色材料是智能包装中最为关键的一部分,具有广泛的利用价值。

对于防伪识别,传统包装的识别手段主要通过条形码实现对产品的识别和记录。而条形码本身具有一定的局限性,因此限制了其在防伪领域的更多发展。而二维码的出现提供了更大的应用潜力,除了具有识别、记录的功能,还可以通过与终端设备的数据互通,实现防伪识别的效果,每个相同产品之间的“身份信息”也大不相同。因此,通过使用二维码对产品进行溯源、辨别以及防伪,可以进一步促进产品与消费者之间的信息互通。另外在技术上,二维码与 RFID 技术的结合,利用与终端设备的互动,增加点对点之间的互通性,甚至能够在无源的条件下实现数据的传输。在识别方面,不需要通过近距离接触就能高效准确地判断商品的具体信息,为智能包装在识别、运输以及防伪等功能使用上提供了极大的便利性。

对于环境监测,往往不能忽视环境对包装存在着的潜在影响,传统的包装应用避免不了由于内外界环境因素造成的影响和损失。而将监测传感功能引入到智能包装中,针对温度、湿度、pH 值、气体、时间等环境因素,对自身产品所需的条件进行智能监测,可以有效避免内部或者外部环境对包装产品的影响。值得一提的是,食品包装内部的泄漏、腐烂以及变质也会造成极大的损失,通过智能包装传感器的介入实现的智能监测,保障了消费者的安全。


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结语

智能包装在成为包装科学和技术新趋势的同时,正逐渐与包装科学、食品科学、生物技术、传感器科学、信息技术、纳米技术等学科融合,正成为包装科学与技术的新领域和新分支。与高新技术的融合有助于推动包装行业的发展,提高人们的生活质量、社会需求和便利性。 在 未 来, 智 能 包 装 将 突 破 更多的技术难点,深入探讨技术与技术 之 间 的 创 新 性 融 合, 进 一 步 推动交叉学科的进步,寻觅两者之间潜在的可能性以及社会需求,促进智能包装领域的独特性发展以及进步。

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