鄧巧云 聶濟世 徐 麗 李大綱
南京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇 南京 210037
近年來,隨著商品經(jīng)濟的迅速發(fā)展,包裝行業(yè)也處于飛速發(fā)展中。2016年12月,中國包裝聯(lián)合會發(fā)布的《中國包裝工業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016—2020年)》[1],明確了面向建設(shè)包裝強國的戰(zhàn)略任務(wù),應(yīng)全面推進(jìn)綠色包裝、安全包裝、智能包裝一體化發(fā)展。包裝有3大基本功能,即保護(hù)商品、方便運輸、促進(jìn)銷售。而其中保護(hù)商品又被視為包裝3大功能中最為基礎(chǔ)的功能,安全包裝與包裝基礎(chǔ)功能密切相關(guān),綠色包裝與智能包裝對于包裝行業(yè)的發(fā)展也有著各自不同而重要的意義。
包裝實際上是商品的附屬品,其使用壽命一般是從生產(chǎn)廠家到最終用戶的過程,此后包裝已經(jīng)失去其原本的價值。僅從此角度來看,包裝對于購買商品本身的客戶來說,并不具備價值,進(jìn)而可得出:包裝本質(zhì)上便存在浪費資源的問題。但在當(dāng)今世界經(jīng)濟全球化的背景下,商貿(mào)物流遍及全球各地,包裝的存在是合理且必須的,在無包裝條件下安全完成商品的流通過程是不可想象的;另外,從商家的角度來說,包裝促進(jìn)銷售的功能也極為重要。不同于主要關(guān)心使用問題的顧客,對于商家來說,尤其是商品制造商,包裝對商品的銷售有著極其重要的影響。如周夢文等[2]從傳統(tǒng)消費觀念的角度,提出商品包裝作為顧客了解商品的媒介,通常會直接影響顧客對商品質(zhì)量的定位,從而間接影響其購買行為。所以無論是從消費者還是生產(chǎn)者的角度來說,商品包裝的重要性都是不可忽視的。綜合分析包裝本質(zhì)及其功能可知,其造成的資源浪費及污染問題,在一定程度上難以完全避免。
近年來人類社會活動對于生態(tài)環(huán)境的影響越來越大,低碳生活概念深入人心,對包裝的要求也與時俱進(jìn),代表環(huán)境友好的綠色包裝概念逐漸進(jìn)入大眾的視野。與此同時,針對延伸包裝功能、提升商品附加值而誕生的智能包裝也逐漸發(fā)展起來,其基本內(nèi)容是將更多領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)融入包裝的制作流程,將包裝信息化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化,從而優(yōu)化并增加包裝功能。從經(jīng)濟角度來說,綠色包裝是通過減少包裝損耗及其對環(huán)境的影響等來間接達(dá)到提高商品及包裝整體性價比的目的。而智能包裝則以更加優(yōu)良的包裝以增加包裝功能,并提升商品整體的價值。智能包裝賦予了包裝更多功能,使其本身具有的價值更加明顯,使得包裝從商品附屬品的身份升華為商品本身。因此,綠色包裝和智能包裝這兩個研究方向?qū)τ诎b行業(yè)未來的發(fā)展均具有重大意義。本文擬通過對綠色包裝與智能包裝的分析,探討如何將兩者結(jié)合發(fā)展,并展望其發(fā)展前景,以期對包裝行業(yè)的相關(guān)研發(fā)和應(yīng)用提供一些參考。
綠色包裝概念最早源于1987年聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展委員會發(fā)表的文件《我們共同的未來》,聯(lián)合國環(huán)境及發(fā)展大會于1992年6月通過了《里約環(huán)境與發(fā)展宣言》《21世紀(jì)議程》之后,此概念才逐漸成型[3]。綠色包裝的具體含義是指對生態(tài)環(huán)境和人類健康無害,能重復(fù)使用和再生,符合可持續(xù)發(fā)展的包裝,也被稱為生態(tài)包裝和環(huán)境友好包裝。其包裝要求具體表現(xiàn)為兩個方面,即保護(hù)環(huán)境與節(jié)約資源,而其深層內(nèi)涵則隨著時間的推移經(jīng)歷了一系列發(fā)展。在綠色包裝概念出現(xiàn)之前,20世紀(jì)70年代至80年代中期,相關(guān)研究內(nèi)容便已出現(xiàn),主要體現(xiàn)為減少包裝廢棄物對環(huán)境的污染。
20世紀(jì)80年代中期至90年代初期,“3R1D原則”的出現(xiàn),才使綠色包裝增添了新的內(nèi)涵,即除了總體要求上考慮包裝廢棄物對環(huán)境的影響之外,還應(yīng)在設(shè)計及制造包裝時,在材料選擇及利用層面做到包裝減量化(reduce)、包裝再利用(reuse)、材料可循環(huán)再生(recycle)以及包裝可降解(degradable)。
到了20世紀(jì)90年代中后期,隨著生命周期評價(life cycle analysis,LCA)方法的引入,綠色包裝的內(nèi)涵得到了進(jìn)一步完善。簡單來說,LCA法的研究對象是包裝從原料到廢棄物的整個處理過程,通過精確量化的比較與分析,來評價包裝的環(huán)境性能[4]。這種方法提供了一種具體而量化的可靠評定流程,使得綠色包裝不再停留在概念上而變得可評定,也因其將包裝的影響評定擴大到了包裝的整個生命周期,使得綠色包裝的具體要求再度增多,其內(nèi)涵進(jìn)一步延伸為“5R1D原則”。即增加了可再生(regenerate)以及無危害(refuse)原則,以保證包裝的整個生命周期都不對環(huán)境和人體造成危害。到了包裝設(shè)計生產(chǎn)的具體階段,則要根據(jù)各個環(huán)節(jié)所涉及的內(nèi)容,分別針對綠色包裝的內(nèi)涵進(jìn)行約束。如徐恒等[5]提出,若考慮到綠色包裝中的LCA,“5R1D原則”在包裝設(shè)計上應(yīng)是第一原則,而在材料選用、結(jié)構(gòu)設(shè)計、印刷流程等階段,則要根據(jù)“5R1D原則”及實際需求,分別作出不同的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。
智能包裝的定義是包裝、商品或者商品-包裝組合中,有一集成化元件或一項固有特性,利用該元件或特性將符合特定要求的職能成分賦予商品包裝的功能中,或體現(xiàn)于商品本身的使用中。這一術(shù)語是在1992年倫敦召開的智能包裝會議上,被首次提出并定義[6-7]。智能包裝根據(jù)其智能化體現(xiàn)形式主要分為:功能結(jié)構(gòu)型智能包裝、功能材料型智能包裝及信息型智能包裝3類。早在其定義被提出之前,便有不少類型的智能化包裝存在于包裝生產(chǎn)中,如變色智能包裝技術(shù)于20世紀(jì)60年代便在國外實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化[8]。在20世紀(jì)70年代末,便已產(chǎn)生了第一個用于檢測食品包裝中氧氣含量的可視化指示劑專利[9]。但它們大多只是實驗性地投入生產(chǎn),在當(dāng)時并未大范圍地推廣,也未在各自對應(yīng)的傳統(tǒng)包裝行業(yè)產(chǎn)生顯著的影響。
直到1982年,美國發(fā)生泰諾投毒案,并引發(fā)了一系列發(fā)生于醫(yī)藥產(chǎn)品中的投毒案件,從而致使美國于1983年出版泰諾法案,對食品、藥品包裝進(jìn)行了嚴(yán)格要求。以事后泰諾集團(tuán)制作的兒童防護(hù)包裝為首,醫(yī)藥行業(yè)產(chǎn)品幾乎都在傳統(tǒng)包裝的基礎(chǔ)上進(jìn)行了明顯的改進(jìn),以提高產(chǎn)品的安全性。從此包裝的特性及功能明顯地引起了人們的關(guān)注。進(jìn)入21世紀(jì)后,隨著新材料、新技術(shù)的增加以及物聯(lián)網(wǎng)時代的到來,信息型智能包裝和功能材料型智能包裝得到了極大發(fā)展,人們對包裝的要求逐漸提高,智能包裝也逐漸被公眾所了解。
智能包裝與綠色包裝共同被行業(yè)所重視。相對于智能包裝,綠色包裝偏近于一種約束性的規(guī)則,而智能包裝既可以稱為一種研究設(shè)計發(fā)展的方向,也可以作為包裝類型或包裝技術(shù)的一個類別。另外,智能包裝主要是對商品包裝的某些功能進(jìn)行改進(jìn),是在原有商品包裝的基礎(chǔ)功能上進(jìn)一步豐富其包裝功能,因而其代表著“要求”。綠色包裝則是根據(jù)目前行業(yè)環(huán)境所得出的對于包裝設(shè)計和制造的規(guī)定,其代表著“要求”。綜上分析,在包裝設(shè)計時,智能包裝設(shè)計應(yīng)優(yōu)先考慮到綠色包裝的要求,在基本不違背綠色包裝的前提下實現(xiàn)包裝的智能化。
功能結(jié)構(gòu)型智能包裝,是指在保證傳統(tǒng)包裝基本功能的基礎(chǔ)上,通過對包裝結(jié)構(gòu)的改變,使其承擔(dān)更多有效的功能。從定義上來看,功能結(jié)構(gòu)型智能包裝所囊括的范圍極廣。理論上說,只要包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計在滿足包裝3大基本功能的基礎(chǔ)上還能發(fā)揮其他作用,則其相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)部分都屬于功能結(jié)構(gòu)型智能包裝的范疇。受包裝本身的限制,其結(jié)構(gòu)設(shè)計的復(fù)雜程度應(yīng)處于一定限度之內(nèi),如果過于復(fù)雜往往會導(dǎo)致包裝不易生產(chǎn)或使用,容易造成包裝浪費。因此,有一定限度的結(jié)構(gòu)所能實現(xiàn)的功能也是受限的,此類智能包裝應(yīng)從綠色包裝的角度出發(fā),盡量以減量化的設(shè)計實現(xiàn)所需功能,同時考慮其智能功能是否具有重復(fù)使用性。單純結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的提升,目前主要體現(xiàn)在包裝的安全性和可靠性等方面。藥品市場上,常用的顯竊啟包裝設(shè)計和兒童安全包裝設(shè)計等就是此類智能包裝中鮮明的例子。如圖1所示是一種兒童安全蓋[10],其具體結(jié)構(gòu)包括外蓋和內(nèi)塞。外蓋下方有2個向內(nèi)的凸舌,因而需以一定大小的力向上拔拉外蓋,才能克服內(nèi)塞與瓶口間的摩擦力打開瓶蓋,此設(shè)計讓兒童無法輕易打開瓶蓋,而成年人則可以輕松開啟。這一類包裝在有限的結(jié)構(gòu)設(shè)計上實現(xiàn)了良好的設(shè)計需求,相對于傳統(tǒng)包裝改動較小,且具有重復(fù)使用性,是目前應(yīng)用相當(dāng)廣泛的一類功能結(jié)構(gòu)型智能包裝。
圖1 一種兒童安全蓋Fig. 1 A childproof closure
功能結(jié)構(gòu)型智能包裝中還有另一種設(shè)計思路,即在結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的基礎(chǔ)上,配合功能性材料或附件的使用,使得包裝能夠?qū)崿F(xiàn)更多功能,其中最具代表性的是自動加熱和自動冷卻包裝裝置。從保護(hù)環(huán)境和節(jié)約資源角度出發(fā),這一類功能結(jié)構(gòu)型智能包裝與綠色包裝概念在一定程度上存在沖突。
自動加熱型包裝容器常用的設(shè)計是將包裝容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計成數(shù)個獨立腔體,以用來分隔包裝物和加熱劑,其工作原理是利用氯化鎂、鐵等材料與水組成的加熱劑,通過反應(yīng)釋放出熱量來加熱內(nèi)裝物。如圖2所示是幾種自動加熱包裝原理圖[11]。自動冷卻型包裝容器通常也為類似設(shè)計,即外裝結(jié)構(gòu)加功能性附件的組合體。從綠色包裝角度來分析,為了達(dá)到或增加智能功能的目的,無論是額外的結(jié)構(gòu)設(shè)計(如多個獨立腔體),還是起關(guān)鍵作用的功能性材料(如加熱劑)都增加了包裝的成本。另外,這一類包裝的后續(xù)回收再利用也相對復(fù)雜,偏近于一次性設(shè)計,不但浪費資源而且功能性材料使用完之后的殘余物難以處理,易造成環(huán)境污染。
圖2 幾種自動加熱包裝原理圖Fig. 2 Heating principle of various forms of self-heating packaging
上述這些問題揭示了綠色包裝與智能包裝結(jié)合時矛盾的本質(zhì),即對包裝的必要性要求及選擇性需求的統(tǒng)一。首先是額外結(jié)構(gòu)設(shè)計增加成本的問題,從表面上看,單純結(jié)構(gòu)設(shè)計的包裝也有此類問題,區(qū)別在于這種增加成本的方式,其必要性及其經(jīng)濟效益是否高。完全單一地從包裝減量化角度來看待包裝,就是要在滿足包裝3大功能的基礎(chǔ)上,以最簡單的形式完成包裝設(shè)計,其余形式的創(chuàng)新都屬于一種浪費;但如果市場對商品的特殊需求程度高到足以作為要求的情形,則需另當(dāng)別論。以兒童安全蓋為例,此類設(shè)計針對的問題具有普遍性。藥品對某類人具有危害性時,理論上應(yīng)被特殊存放,在存放安全的情形下是不需要兒童安全性設(shè)計的,但在目前的時代環(huán)境中,因為諸多原因,藥品的存放問題未引起較大重視,故在藥品包裝上作設(shè)計,通過智能安全包裝來保證兒童安全性是非常必要的。此時,外在包裝多余損耗就應(yīng)被視為因產(chǎn)品的特殊性必然要求所導(dǎo)致,其經(jīng)濟效益可以等同于商品本身的經(jīng)濟效益,自然也就不再違背綠色包裝的減量化原則。再以自動加熱包裝容器為例,與兒童安全蓋相比,無論是必要性還是經(jīng)濟效益均低一些,但在其專門應(yīng)用的領(lǐng)域,這種設(shè)計的出現(xiàn)勢必是市場需求造就的結(jié)果,故在單獨領(lǐng)域內(nèi),不應(yīng)輕視其必要性及經(jīng)濟效益。張洪軍等[12]指出,在我國早期的包裝應(yīng)用中,這種自動加熱設(shè)計旨在應(yīng)用于野戰(zhàn)用飯盒。作為一種專用型的設(shè)計,它的設(shè)計初衷并非面向大眾需求,在特殊情況下,為了達(dá)成更加重要的目的而采用此種設(shè)計是一種合理的行為。但是如果試圖將這類功能結(jié)構(gòu)型智能包裝向普通消費者推廣使用,并仍采用最初的設(shè)計方案卻是不合理的。也就是說,這類設(shè)計雖然開始是針對型的設(shè)計,但其后續(xù)的設(shè)計及改進(jìn)中應(yīng)該更多考慮到綠色包裝的原則,在突出專用性的同時必須滿足一些新的要求:不僅能夠?qū)崿F(xiàn)食品的加熱功能,還能避免為達(dá)成該包裝設(shè)計效果所帶來的資源浪費與環(huán)境污染問題,抑或另辟蹊徑,采用其他更加環(huán)保節(jié)能的設(shè)計方案。
功能材料型智能包裝,是指以新型材料來制備包裝,從而使包裝能夠獲得更廣泛及完善的功能。與功能結(jié)構(gòu)型智能包裝自動加熱、安全等功能不同,這類包裝通常是使用對光照、濕度、溫度等環(huán)境因素比較敏感的材料,從而使包裝具備對環(huán)境的監(jiān)控、識別、適應(yīng)、控制等功能。為了達(dá)到最終的商業(yè)化應(yīng)用,一般研發(fā)此方面的新包裝會充分考慮到綠色包裝的要求,要求材料對生物體及環(huán)境無毒無公害,易循環(huán)再生、易降解等。近年來,環(huán)境友好和可持續(xù)發(fā)展概念深入人心,這類想法融入產(chǎn)品設(shè)計也是大勢所趨。綠色包裝可視為此類想法在包裝行業(yè)的具體表現(xiàn),將這種概念良好地融入設(shè)計必將會影響整體設(shè)計的需求取舍。相對于短期內(nèi)可以通過研究看到成效的功能結(jié)構(gòu)型智能包裝,功能材料型智能包裝的研發(fā)花費時間更多,但也使得最終的包裝性能更加優(yōu)良,與深入發(fā)展綠色包裝的矛盾也相對較小。綠色包裝原則是否被遵守,決定著此類包裝是否滿足商業(yè)化的標(biāo)準(zhǔn)。如吳若梅等[13]提出可應(yīng)用于功能材料型智能包裝的功能導(dǎo)電型智能油墨材料,目前雖然技術(shù)和應(yīng)用水平都已達(dá)到商業(yè)化標(biāo)準(zhǔn),但批量化生產(chǎn)還存在環(huán)境影響等方面的關(guān)鍵性問題。因此,考慮綠色包裝與智能包裝的結(jié)合,從設(shè)計生產(chǎn)層面來看,功能材料型智能包裝的研究更加深入和全面,會充分考慮到綠色包裝的原則。此外,包裝行業(yè)的商業(yè)環(huán)境,對于功能材料型智能包裝的發(fā)展也有不可忽視的影響。
任一行業(yè)若要發(fā)展,勢必要與其他行業(yè)共同合作,這種合作一般是簡單而傳統(tǒng)的供應(yīng)鏈關(guān)系,如對包裝生產(chǎn)行業(yè)來說,即是向物流行業(yè)等提供包裝材料。但是,建立雙向的供應(yīng)關(guān)系在當(dāng)前的情況下針對包裝行業(yè)也不失為一種可行的方式,簡單來說即買方與賣方供需關(guān)系互換的供需合作鏈條,包裝行業(yè)甚至能進(jìn)一步與其他行業(yè)合作將供應(yīng)鏈轉(zhuǎn)化為供應(yīng)圈,從而建立起一個完整的包裝循環(huán)鏈[14]。功能材料型智能包裝一類的包裝產(chǎn)品,雖然有時也會采取易降解等符合綠色包裝的設(shè)計來降低它的后續(xù)分類處理的難度,但目前這種方法還存在諸多限制,而且易降解的高分子材料本身應(yīng)用的領(lǐng)域也并不廣泛。如徐世豪等[15]指出,由于受到經(jīng)濟和性能等因素的影響,這種材料在快遞包裝等行業(yè)的應(yīng)用很少。除此之外,對于大部分功能材料型智能包裝來說,由于采用的材料本身也擁有一定的價值,如果能夠得到回收利用,而不是簡單地作為垃圾進(jìn)行銷毀,一部分材料的廢棄物后續(xù)依然能夠創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益。如涂宏波等[16]指出,若膨脹石墨材料僅用于油類吸附處理,可通過多種方法實現(xiàn)其功能的恢復(fù)。若能夠建立起良好的回收機制,將部分難以處理的新型材料返回至原生產(chǎn)廠商或?qū)I(yè)研究部門,使各種特殊材料的后續(xù)處理更加細(xì)化,解決它的危害性問題,將更有利于發(fā)揮其性能優(yōu)勢。
綠色包裝的原則并不是局限于包裝的設(shè)計與制造生產(chǎn),其適用范圍是包裝的整個生命流程?;厥諜C制符合綠色包裝的要求,若包裝制造行業(yè)與銷售方等能合作健全一套完善的包裝回收機制,必將對智能包裝及綠色包裝結(jié)合提供巨大助力。近年來已經(jīng)有相關(guān)行業(yè)開始注意到此方面的問題,據(jù)報道,在2016年由阿里巴巴牽頭創(chuàng)立的菜鳥網(wǎng)絡(luò)科技有限公司聯(lián)合了許多合作伙伴,推出了聯(lián)合環(huán)保行動來推動綠色物流發(fā)展[17]。包裝行業(yè)內(nèi)部的研究不斷發(fā)展,外部商業(yè)合作環(huán)境也應(yīng)當(dāng)不斷改善,才能從整體上促進(jìn)行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展,而對于智能包裝來說,其本身可以促進(jìn)包裝行業(yè)的發(fā)展;反過來,包裝行業(yè)的發(fā)展也可以促進(jìn)其自身的突破。
信息型智能包裝因能通過包裝反映物品從生產(chǎn)過程到流通過程中的一系列信息而命名,這種包裝所能反映的信息不僅包括商品本身的特性等固有信息,更含有流通過程中產(chǎn)品各項指數(shù)變化等實時信息。信息型智能包裝的主要代表是以電子技術(shù)為核心,結(jié)合印刷技術(shù)、傳感技術(shù)等打造的包裝數(shù)字化技術(shù)。信息型智能包裝在整體智能包裝中具有非常重要的地位,陳克復(fù)等[6]認(rèn)為在此方面的研究將會是包裝科技發(fā)展的必然趨勢?,F(xiàn)在商品包裝上常見的二維碼、條形碼等都可以歸入這類研究的范圍,這一類研究具有廣闊發(fā)展前景。綠色包裝本質(zhì)上是要減少包裝作為商品附屬對于環(huán)境和資源所產(chǎn)生的負(fù)面影響。而包裝數(shù)字化運用了電子傳感等技術(shù),并進(jìn)一步通過互聯(lián)網(wǎng)等信息化領(lǐng)域的作用來優(yōu)化包裝的智能化信息功能,它對于傳統(tǒng)包裝本身的改動很小,而它所能提供的信息型功能,以其豐富性、時效性等諸多特點,大大提高了包裝本體在商品-包裝組合中的價值。這類包裝將互聯(lián)網(wǎng)很好地融入了生活中,提供了全面的信息量,既很大程度上實現(xiàn)了包裝功能的智能化,又符合綠色包裝要求。
另一類信息型智能包裝是以智能指示劑為代表。智能指示劑采用了生物分子、有機分子、無機金屬絡(luò)合物等作為指示劑主體,利用其敏感的pH-顏色效應(yīng)等特性來向觀者傳達(dá)信息。從綠色包裝角度來看,存在一些明顯的弊端,如主要是通過依托附加物達(dá)成功能,不易于后續(xù)的回收處理,易造成一定污染及浪費等,或還存在一定的安全性問題。如王芳等[18]指出,由于化學(xué)物質(zhì)的遷移現(xiàn)象等,指示劑目前在食品包裝等領(lǐng)域還存在一定安全風(fēng)險。從綠色包裝的角度來說,人們需要的還是減量化和安全性的包裝,只有真正無風(fēng)險,且物美價廉的功能性包裝,才能得到主流消費者的認(rèn)同。相對于指示劑類信息型智能包裝,目前二維碼、條形碼等代表的包裝數(shù)字化技術(shù)更易被消費者們所接受,否則他們更愿意選擇傳統(tǒng)包裝而非智能包裝。
綜上所述,智能包裝是一種具有良好應(yīng)用前景的包裝,從整體上說,它可以較好地與綠色包裝相結(jié)合。無論是從環(huán)境影響、商品研發(fā)、行業(yè)發(fā)展還是消費者購買趨向來看,綠色包裝原則均會影響一種包裝能否被廣泛推廣和使用。智能包裝若要得到進(jìn)一步發(fā)展,綠色包裝原則是不可忽視的一個重要因素,這在各種不同智能包裝的發(fā)展過程中已得到了體現(xiàn)。無論是哪種類型的智能包裝,只要符合綠色包裝原則就會具有更好的市場前景。
我國的包裝行業(yè)起步較晚,發(fā)展至今雖然已取得了不小的成就,但相較于部分發(fā)達(dá)國家仍有一定的差距。無論是智能包裝還是綠色包裝,它們不僅代表著包裝行業(yè)的發(fā)展方向,更是廣大消費者有過商品體驗經(jīng)歷后產(chǎn)生的需求體現(xiàn)。需求創(chuàng)造市場,市場則代表著包裝行業(yè)未來的發(fā)展前景,要想實現(xiàn)這兩大方向的發(fā)展及突破,僅靠包裝行業(yè)本身是不夠的,更要聯(lián)合其他行業(yè),構(gòu)造良好的商業(yè)供應(yīng)鏈及合作環(huán)境,從而使得包裝作為商品流通中的附屬品,最大程度地發(fā)揮其作用。