智能包裝新發(fā)展：基于印刷電子技術(shù)制備微型傳感器應(yīng)用于電商包裝

李文瑞 張宏 孫加振

如今電商行業(yè)獲得了前所未有的發(fā)展，電商產(chǎn)品包裝也在逐步融合新興的信息化和智能化技術(shù)。利用印刷電子技術(shù)制備微型傳感器應(yīng)用于電商包裝可以幫助電商實(shí)現(xiàn)包裝信息化及可視化。隨著智能手機(jī)的普及，傳感器在包裝上的應(yīng)用展現(xiàn)了豐富的想象空間，電商包裝可以通過微型傳感器作為流量入口，接駁多方面信息，如對貴重物品實(shí)施跟蹤監(jiān)督、監(jiān)測食物是否變質(zhì)、提供防偽憑證等。從而，通過印刷電子技術(shù)制備微型傳感器應(yīng)用于電商包裝具有重要的應(yīng)用價(jià)值。印刷電子技術(shù)應(yīng)用過程中涉及大量的基礎(chǔ)科學(xué)問題，包括印刷材料、印刷工藝、印刷設(shè)備及器件性能等多個(gè)方面，其中功能性墨水的制備在實(shí)現(xiàn)高性能微型傳感器加工過程中起著關(guān)鍵作用。為了更好地了解印刷微型傳感器在電商包裝中的應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀，本文討論了在當(dāng)今電商包裝發(fā)展需求下制備功能性印刷墨水及印刷電子技術(shù)在微型傳感器的加工制造方法，并進(jìn)一步分析了印刷制備微型傳感器在電商智能包裝應(yīng)用過程中所需要克服的困難及市場前景。

微型傳感器在電商包裝上的應(yīng)用

通過傳感器與電商包裝有機(jī)結(jié)合是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的有效途徑，在電商包裝運(yùn)輸過程中，通過全球定位系統(tǒng)和無線傳輸技術(shù)，可以對大宗物品進(jìn)行遠(yuǎn)程跟蹤監(jiān)督。同時(shí)，與相關(guān)智能傳輸系統(tǒng)相結(jié)合對包裝箱內(nèi)或集裝箱內(nèi)的溫度、濕度、壓力等一些重要參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，可以確保貨物所處在一個(gè)相對穩(wěn)定的環(huán)境。最近，艾利丹尼森公司研發(fā)出了一種全新的乳制品標(biāo)簽傳感器，能夠即時(shí)監(jiān)測奶制品在運(yùn)輸新鮮度。該傳感器還可以監(jiān)控產(chǎn)品所在的實(shí)時(shí)位置、運(yùn)輸時(shí)間、溫度等。并且在某些大宗貴重物品的運(yùn)輸中，我們還可以在產(chǎn)品包裝中添加指紋傳感器來避免用戶信息的泄露。在電商產(chǎn)品運(yùn)輸過程中，跌落沖擊是電商運(yùn)輸中最常見的環(huán)境負(fù)荷，是毀壞貨物的主要危險(xiǎn)。在跌落過程中，產(chǎn)品受到的沖擊力與跌落高度、方向、包裝的緩沖結(jié)構(gòu)等條件有關(guān)。在包裝內(nèi)部安裝一種跌落傳感器，可以使物流公司在運(yùn)輸物件時(shí)能夠合理分配運(yùn)輸方式和運(yùn)輸路線，避免不必要的損失。因此，傳感器的微型化與電商包裝的結(jié)合可以大大拓寬當(dāng)今電商產(chǎn)品的范圍，創(chuàng)新更多的便于人民生活及實(shí)際國防民用產(chǎn)品的應(yīng)用。

基于印刷電子技術(shù)制備電商包裝中的微型傳感器

印刷電子技術(shù)是將傳統(tǒng)印刷技術(shù)和電子技術(shù)相結(jié)合，伴隨著先進(jìn)材料的研究發(fā)展，從而把傳統(tǒng)印刷工藝應(yīng)用于制造先進(jìn)功能電子器件和高性能產(chǎn)品。印刷電子技術(shù)制備微型傳感器的主要方式是利用特定的功能性材料、助劑等配置成液態(tài)墨水，通過改善承印物表面的印刷適性，并且根據(jù)生產(chǎn)生活所需要的功能來設(shè)計(jì)微型傳感器的結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)微型傳感器的全印刷制備。

1.在印刷微型傳感器過程中功能性墨水的制備及應(yīng)用

功能性墨水一般是由溶劑、功能填料、助劑和連結(jié)料組成。利用特定的功能材料作為墨水制備的填料，通過燒結(jié)工藝和添加分散劑等方法使金屬等材料更容易分散于溶劑中，并加入合適的膠料增強(qiáng)墨水的流變性，從而完成功能性墨水的制備?，F(xiàn)在制備導(dǎo)電墨水最主要的方法有兩種，一種是基于金屬材料，另一種是基于碳復(fù)合等無機(jī)材料來實(shí)現(xiàn)各種功能性用途。

利用金屬做墨水的功能材料，首要條件就是有很好的導(dǎo)電性能，其次要有穩(wěn)定的理化性質(zhì)，良好的印刷適性，便于儲存和價(jià)格低廉等條件。以銀材料舉例，銀導(dǎo)電油墨是以超細(xì)銀粉和熱塑性樹脂為主體而組成的液型油墨。通常以AgNO3作為銀元素的來源，通過化學(xué)還原制備出納米銀顆粒，并在150℃下進(jìn)行燒結(jié)，使銀材料充分分散于溶劑，從而將功能油墨制備出來。另外還可以用多元醇法制備銀納米顆粒油墨，將硝酸銀溶于多元醇，并在回流冷凝器中進(jìn)行還原，離心后銀粉經(jīng)乙醇反復(fù)洗滌后室溫干燥，再將制得的銀納米顆粒、分散劑等加入溶劑體系中球磨5μm尼龍網(wǎng)過篩后得到銀粒徑約為20mm的導(dǎo)電油墨。

利用無機(jī)非金屬材料過程中，當(dāng)前石墨烯材料因其獨(dú)特的性能廣泛得到了應(yīng)用，石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米碳材料。自發(fā)現(xiàn)初變成了電子、能源、生物等行業(yè)的寵兒。通過預(yù)氧化石墨方法來制備石墨烯，并在用三角銀片在石墨烯間進(jìn)行穿插，同時(shí)加入聚乙烯醇（PVA）使石墨烯功能材料能夠穩(wěn)定分散于溶劑中，從而制備具有導(dǎo)電功能的墨水。

功能性墨水制備過程中相較于傳統(tǒng)普通墨水制備具有以下特點(diǎn)：對于普通墨水而言，一般需要墨點(diǎn)圓整度和一致性好、墨層薄、節(jié)約墨水、光澤度好、承應(yīng)能力強(qiáng)、節(jié)能環(huán)保。以金屬為導(dǎo)電材料的功能墨水印刷時(shí)，溶劑蒸發(fā)，在基板上需要實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電圖案具有導(dǎo)電性能優(yōu)異、印刷圖案質(zhì)量輕、印刷適性好、固化條件溫和、具有可大面積生產(chǎn)的優(yōu)勢，且打印的圖案分辨率可達(dá)60μm及以下，厚度可控，在塑料薄膜、紙張、陶瓷及金屬箔片等多種基材上皆可實(shí)現(xiàn)圖案化。為了達(dá)到導(dǎo)電等性能要求，通常還需要后處理。例如，通過強(qiáng)脈沖光照射，得到導(dǎo)電性為25000s/m的導(dǎo)電線路，使印刷電路的導(dǎo)電性能實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。除此之外，功能墨水還存在其他一些缺點(diǎn)，當(dāng)功能墨水被印刷到承印物之后，在熱處理的過程中溶劑會大量揮發(fā)，使得邊緣處的比表面積比非邊緣處的大，導(dǎo)致邊緣處的溶劑揮發(fā)速度大于中心處的溶劑，致使最后燒結(jié)完成的銀導(dǎo)線嚴(yán)重變形。當(dāng)功能性墨水濃度過低時(shí)，導(dǎo)電性能較差，制備的微型傳感器容易出現(xiàn)斷路情況。同時(shí)，油墨的黏度也極難控制。黏度過大，在噴墨印刷中噴頭難以噴出油墨，黏度越小，黏度過小就會出現(xiàn)噴濺現(xiàn)象，導(dǎo)致承印物的毀壞。

2.印刷墨水在承印物表面的印刷適性研究

油墨在承印材料上的接觸角稱為潤濕角，是衡量油墨承印材料潤濕狀況的重要指標(biāo)，潤濕角越大，油墨潤濕性能就越差。采用印刷技術(shù)將油墨轉(zhuǎn)移到承印物表面時(shí)，液滴接觸承印物表面時(shí)會不可避免的產(chǎn)生潤濕角的滯后現(xiàn)象，這種滯后現(xiàn)象影響印刷電路的精度。并且，油墨附著在承印物的表面，其實(shí)是一個(gè)液-固界面取代氣-固界面的過程，通過化學(xué)處理和物理處理來改善承印物表面能夠避免沾濕和浸濕兩種情況，同時(shí)調(diào)節(jié)承印物表面的動(dòng)態(tài)浸潤性，控制墨水液滴在空氣中蒸發(fā)中三相（氣相、液相、固相）接觸迅速釘扎，減少功能墨水在鋪展過程中不規(guī)則的組裝行為。當(dāng)液滴的三相接觸線施加給功能材料的毛細(xì)作用力小于功能材料與基底間的粘附力時(shí)，三相接觸線可以迅速定扎在紙張的表面阻止液滴向外滲透鋪展，實(shí)現(xiàn)對液滴中功能材料的有序組裝，并在適宜條件下進(jìn)行干燥，從而完成微型傳感器的制作。

3.印刷制備微型傳感器性能

現(xiàn)階段微型傳感器的制備主要是依據(jù)我們所需要的功能來設(shè)計(jì)微型傳感器的結(jié)構(gòu)，然后傳輸?shù)叫畔⑻幚斫K端。利用套印技術(shù)在各種承印物的表面實(shí)現(xiàn)微型傳感器的印刷，然后在特殊的干燥條件下使油墨穩(wěn)定沉積在承印物的表面，從而完成微型傳感器的制作。其性能主要需要滿足以下特點(diǎn)：能夠靈敏地感應(yīng)外部環(huán)境的變化，可以將特定的信息轉(zhuǎn)換為電信號上傳到網(wǎng)洛終端，并能夠在長時(shí)間內(nèi)保持其性能不會變化，同時(shí)滿足線性范圍廣，響應(yīng)快，輸出信號穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。

基于印刷電子技術(shù)制備微型傳感器在電商包裝應(yīng)用中的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

由于印刷電子技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)柔性及大批量制備等優(yōu)勢，大大減少了其他傳統(tǒng)加工方式中的污染和能耗等不可避免的問題。同時(shí)，隨著信息技術(shù)的進(jìn)步，微型傳感器已經(jīng)具備統(tǒng)計(jì)處理功能，可對電商包裝運(yùn)輸過程中的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)和修正，還可以對溫度、噪聲、濕度、響應(yīng)時(shí)間等做出誤差補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對包裝內(nèi)產(chǎn)品的時(shí)時(shí)監(jiān)控。這些優(yōu)點(diǎn)使得微型傳感器在電商包裝領(lǐng)域有廣闊的空間。并且就市場占有率來講，微型傳感器是目前最為成功并最具有實(shí)用性的微型電子器件之一。過去幾十年中，微型傳感器在汽車應(yīng)用和提高員工效率等方面已經(jīng)積累了良好的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。這都為今后微型傳感器在電商包裝中的應(yīng)用提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。微型傳感器具有良好基礎(chǔ)的同時(shí)也存在著一些挑戰(zhàn)。如何大規(guī)模、高效率地生產(chǎn)用于記錄產(chǎn)品信息的傳感器成為了我們急需解決的問題?，F(xiàn)階段，基于印刷技術(shù)制備微型傳感器過程中可以從以下幾方面解決現(xiàn)有存在的一些應(yīng)用難題：首先，印刷所需要的功能墨水需要繼續(xù)提高其分散性、黏度等方面的印刷適性。其次，在傳感器應(yīng)用性能方面的功能材料研發(fā)制備與傳統(tǒng)墨水分散介質(zhì)的互配問題等方面仍需要進(jìn)行大量的研發(fā)試驗(yàn)。微型傳感器自身成本也制約了其在智能包裝上的應(yīng)用，怎樣推廣微型傳感器在電商包裝行業(yè)的應(yīng)用也成為了目前的難題。而且國內(nèi)多數(shù)科技公司制造的微型傳感器還未達(dá)到智能電子器件發(fā)展的高水平階段，在數(shù)字化階段、智能補(bǔ)償校準(zhǔn)階段、智能化應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)階段，造成現(xiàn)階段的微型傳感器智難以自檢和自診斷、雙向通信功能缺失等問題。并且國內(nèi)正處于新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換的調(diào)整期，產(chǎn)品轉(zhuǎn)型并不是所有國內(nèi)包裝印刷企業(yè)能做到的。目前，我國對智能包裝技術(shù)的投入、高等人才的培養(yǎng)和引進(jìn)、設(shè)備和材料的更新等也還存在一定的不足，這都制約了微型傳感器的研發(fā)和在電商包裝中的應(yīng)用。

作者單位：齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）輕工科學(xué)與工程學(xué)院