智能包装与RFID的机遇与挑战
- 2010-08-30 09:08:44989
改革开放以来，国内包装工业发展迅速，总产值由1980年的72亿元增加到2006年的4964亿元，2007年规模以上包装企业工业总产值超过6000亿元，环比增长幅度为20%，利税440亿元；据中国包装联合会报道，2008年国内包装工业总产值为8600亿元。包装工业产值占国内生产总值中的比重已由1980年的不足0.4%迅速上升到目前的2.37%，包装工业在国民经济42个主要工业行业排位中，也由原来末一位跃升到目前的第14位，较好的完成了为我国社会消费品零售总额76410亿元的配套任务和9691亿美元的出口商品的包装需求。我国包装工业保持了良好的发展态势，已进入了世界包装大国的行列，其产值已位居第三位，成为名副其实的世界包装制造大国。但与发达国家相比，我国包装产业还存在较大差距，*水平的包装设备和高质量的原辅材料还严重依赖进口，智能包装与RFID标签技术的应用还不够广泛。
1.智能包装技术的发展与应用现状
智能包装的发展与智能结构的发展是分不开的。20世纪50年代，人们提出了智能结构，当时把它称为自适应系统。在智能结构发展过程中，人们意识到智能结构的发展越来越需要智能材料的研究与开发。于是在20世纪80年代，人们提出了智能材料的概念。智能材料就是材料体系要集感知、驱动和信息处理为一体，形成类似生物材料的智能属性，具备自感知、自诊断、自适应、自修复等功能。近年来所形成的“智能科学与技术”，是以人工智能理论和方法为核心，研究如何用计算机去模拟、延伸和扩展人的智能；如何设计和建造具有高智能水平的计算机应用系统。一个完整的智能行为周期为：从机器感知，到知识表达；从机器学习，到知识发现；从搜索推理，到规划决策；从智能交互，到机器行为，到人工生命等等构成了智能科学与技术学科特有的认识对象。
随着智能材料不断发展，它的应用范围拓展到了包装，于是出现了“智能包装”的概念。1992年在伦敦召开的“智能包装”会议上给出了智能包装的定义：在一个包装、一个产品或产品-包装组合中，有一集成化元件或一项固有特性，通过此类元件或特性把符合特定要求的职能成分赋予产品包装的功能中，或体现于产品本身的使用中。具体来讲，智能包装就是利用新型的包装材料、结构与形式对商品的质量和流通安全性进行积极干预与保障；利用信息收集、管理、控制与处理技术完成对运输包装系统的优化管理等。
目前智能包装的分类方法主要有两种：如果按工作原理来分类，可将智能包装分为：功能材料型智能包装、功能结构型智能包装及信息型智能包装；如果按照智能包装的主要应用范围来分类，可将智能包装分为：食品智能包装、药物智能包装和化妆品智能包装等等。
智能包装是一个多元学科交叉的应用领域，支撑智能包装的学科主要有材料科学、微电子学、现代控制理论、计算机科学、人工智能等等。几种领域的技术进步与发展对智能包装的开发与应用又起了推动作用他们是相辅相承的关系。
功能材料型智能包装就是指通过应用新型智能包装材料，增加和提升包装功能，以达到特定包装的目的。如通过采用光电、温敏、湿敏、气敏等功能材料，对环境因素具有“识别”和“判断”功能的包装就是典型的材料型智能包装。所制成的复合包装材料，可以识别和显示包装空间的温度、湿度、压力以及密封的程度、时间等一些重要参数。
近年来，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，据国外调查分析，预计到2011年，智能包装产值将增长至48亿美元， 2013年将增长至141亿美元。其中，美国在智能包装方面发展迅速，智能包装市场每年的增长率为13%，估计到2011年产量将达11亿美元。
美国开发了很多实用的功能材料型智能包装新成果，如光学涂料试验中心和PA技术公司研制出一种在外力作用下会变色的塑料薄膜，膜上涂有不同波长的反向干涉涂层，在正常情况下涂层呈明亮色彩，一旦被动用，涂层便开始剥落，薄膜变成灰色，剥落部分还会产生花纹，从而提供了此包装曾启封过的警示信号。这种材料很适合作包装封记。美国造纸公司采用以色列能量纸公司（Power Paper）开发出来的一种超薄柔软电池，用于一些消费产品的包装，这种新型电池可像油墨一样被"印刷"在产品的包装上，使之增加灯光、声音，以及其他一些特殊效果，可让制造商更有效地通过产品包装来吸引消费者。此外，美国在功能结构型智能包装方面也有比较大的发展。
芬兰的VTT生物技术实验室研制的智能包装指示剂引起了很大反响。这种指示剂的关键意义在于具有直接给出有关食品质量、包装和预留空间气体、包装的贮藏条件等信息的能力。保鲜指示剂通过对微生物生*新陈代射的反应直接指示出食品的微生物质量。
气调包装就是一种典型的智能包装，起源可追溯到19世纪30年代。1955年美国Gerhard国家研究中心植物生理实验室的马尔塞兰开始研究各种PE膜贮藏各种水果，并对贮藏环境中的氧和二氧化碳的变化作了系统的研究。19世纪70年代以后，气调包装开始大规模的应用于商业领域。
2.射频识别（RFID）技术与应用
RFID技术是智能包装中应用的热点，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。RFID芯片不易被伪造，在标签上可以对数据采取分级保密措施，数据在供应链上的某些点可以读取。
（1）射频识别（RFID）的含义
RFID是Radio Frequency Identification的缩写，通常称为电子标签。是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。智能是指由芯片、天线等组成的射频电路，而标签是由标签印刷工艺使射频电路具有商业化的外衣。
（2）RFID标签的特点
RFID标签具有可读写、反复使用和耐高温、不怕污染等传统条形码所不具备的优势，处理数据过程无需人工干预。
（3）RFID的基本工作原理
标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（有源标签或主动标签）；解读器读取信息并解码后，送至*信息系统进行有关数据处理。
基本的RFID系统由标签、阅读器、天线三部分组成。RFID芯片是非常不易被伪造的，在标签上可以对数据采取分级保密措施，数据在供应链上的某些点可以读取。
（4）RFID与传统标签印制技术的区别
从印刷的角度来看：RFID的芯片层可以用纸、PE、PET甚至纺织品等材料封装并进行印刷，制成不干胶贴纸、纸卡、吊标或其他类型的标签，芯片是RFID的关键，由其特殊的结构决定，不能承受印刷机的压力，所以，除喷墨印刷外，一般是采用先印刷面层，再与芯片层复合、模切的工艺。
RFID电子标签以丝网印刷为，使用导电油墨，而印刷导电油墨较好的丝网是镍箔穿孔网，属于高技术丝网，由镍箔钻孔而成箔网，网孔呈六角形，也可用电解成形法制成圆孔形。整个网面平整匀薄，能*地提高印迹的稳定性和精密性，用于印刷导电油墨、晶片及集成电路等高技术产品效果较好，能分辨0.1mm的电路线间隔、定位精度可达0.01mm。
导电油墨的应用：导电油墨可在UV油墨、柔版水性油墨或特殊胶印油墨中加入可导电的载体，使油墨具有导电性。导电油墨主要由导电填料、连接剂、添加剂、溶剂等组成；导电油墨是一种功能性油墨，在印刷中主要有碳浆、银浆等导电油墨；在RFID印制中，导电油墨主要用于印制RFID大线，替代传统的压箔法或腐蚀法制作的金属天线。优点：印刷方法快速，是印刷天线和电路中的既快又便宜的方法；导电油墨的原材料成本要低于传统的金属天线。
独特的工艺要求：高成品率、厚纸印刷和复合加工。RFID价值高、*，印刷品高成品率尤为重要。尤其是许多产品都要求多色UV墨印刷、上光、涂布，印量大的标签大多数还采用卷筒纸或无接缝印刷（通花）等方式加工，由于加工工序多，也加大了成品的筛选难度。印制卡纸要有良好的印刷适性，应保持张力稳定，使累计套印误差降到小。因此，如果每个画面都套印很准，但是画面之间的间距产生误差较大，也会给RFID印刷后的复合和模切工序造成麻烦。复合加工是RFID加工中的关键工序，不仅要求每个标签之间的尺寸不会因为张力变化而改变，而且对于薄膜类材料，还要考虑拉伸变形造成标签间距增加程度，并做适当调整。
（5）RFID技术典型应用案例
在科技奥运的理念作用下，电子门票作为奥运会科技亮点倍受媒体青睐。许多旅游景点、演出会、运动会都将开始的规模化应用电子标签门票。RFID技术的应用提高了奥运门票的防伪能力与检票速度。另外，奥运门票还详细记录门票的购票时间、地点、何时入场、座位区域等信息，使奥运赛场的安全秩序管理更加方便。奥运会电子门票还应用了由清华大学、同方微电子公司共同研制的中国小尺寸的RFID芯片，该芯片小面积为0.3平方毫米，厚度小为50微米，可嵌入纸张内，远识别距离在5米左右。美国食品*（FDA）已经提倡使用RFID作为药品防伪的手段之一；首条集装箱电子标签航线诞生于上海，对整个航运业产生了深远的影响；中国张"RFID手机地铁票"在广州正式试用；国家数字图书馆、武汉图书馆RFID项目的成功启动。芬欧蓝泰投资1亿元在广州兴建了其世界大的电子标签生产基地来强化与中国电子标签使用者、系统集成商的联系。结果有效地提高了其对中国大陆市场的影响力，同时也辐射了整个亚太地区。
市场的快速形成与成长，势必导致智能包装的迅猛发展。据专家预测，到2015年预计每年将需要约1万亿枚射频标签，其中大多数将是用在智能包装上。沃尔玛公司近已经要求*家大供货商2006年开始，所有运到主要集散工厂的产品和各个经销点的产品都要配有或使用RFID标识。德国麦德龙集团于2004年11月开始大规模地扩展RFID的应用试验——“未来超市”。许多大应用系统开发商如Sun、SAP、Oracie、IBM、Microsoft等公司已经看到RFID（射频识别）技术的商机，纷纷在其产品中集成RFID技术以满足未来这方面的巨大需求。仅仅从RFID的需求就可以看到智能包装的巨大的市场及其潜在的机遇。
3.智能包装在中国的发展机遇与挑战
我国对功能材料型智能包装、功能结构型智能包装方面的研究相对较晚，尤其是气调包装。我国气调保鲜技术虽然起步比较晚，但是发展迅速。九十年代以来，随着人们对食品气调贮藏的认识逐步提高，我国的食品气调贮藏已经占果实贮藏总量的百分之十几。但气调包装的普及与推广应用还需要一个过程。
尽管我国在智能包装的技术研发水平和应用领域还存在一些不足，但随着我国科技力量的不断提升，我们在某些方面也取得了许多令人可喜的成绩。我国已经拥有自主产权的RFID芯片。在生产方面，国内很多公司已经开发出了适用于各种应用途的RFID产品。但同发达国家相比，我国的RFID技术的在包装上的应用还未形成一定的行业规模，只有形成规模的行业应用才能代表技术应用水平。
市场决定需求。食品、医药、化妆品的零售业、消费市场及物流行业同我国智能包装的发展密不可分。随着中国市场化进程的加快，国民收入的提高以及品牌的进入，一个相当大的零售和消费市场正在中国形成，并且快速增长。市场的快速形成与成长，势必导致智能包装的迅猛发展。有些专家预计，在未来几年，每个独立包装的产品上都会贴上智能标签，2015年，RFID标签的年需求量将达到10000亿枚，其中大多数将是用在智能包装上。仅仅从RFID的需求就可以看到智能包装的巨大的市场及其潜在的机遇。
过去几年，智能包装在中国的发展并不像预料的那样迅速，其原因主要有以下几点：
（1）标准问题。拥有一套适应国情的完善的标准关系到国家的利益和信息安全。我国在智能包装的很多领域的标准还不够完善，目前主管部门正在组织和完善相关标准的制定，如2007年4月20日，*正式发布了《800/900MHz频段射频识别（RFID）技术应用试行规定》。
（2）成本问题。目前虽然我国已经在智能包装方面具备一定的研究成果，但将科研成果转换为生产力和市场化的难度比较大，成本比较高。智能包装的推广与人们的生活习惯是密不可分的。随着劳动力成本的提升，生产工艺的不断改进，成本问题会得到逐步解决。
（3）专业人才问题。技术问题归根到底还是人才问题。智能包装还是比较新的领域，虽然我国一些高校近几年已经开设了"智能科学与技术"高等教育，但目前在这方面的技术人员还十分有限。
为了更好地开发、推广应用智能包装技术，建议重点做好以下工作：
，加快专业技术人才的培养。要改变我国在智能包装方面相对落后的局面，就应该从人才的角度入手，培育出一批高素质的专业技术人员与管理人员。
第二，加强交叉学科建设和科研平台建设，积极开展对外科技交流与合作，提高我国在智能包装方面的技术水平。
第三，加快行业标准的制定，减少资源浪费。
第四，利用媒体等宣传手段，提高人们对智能包装的认识，扩大市场需求，促进智能包装技术的推广应用，提高我国商品包装与物流的整体水平。