智能包装新发展：基于印刷电子技术制备微型传感器应用于电商包装

李文瑞 张宏 孙加振

如今电商行业获得了前所未有的发展，电商产品包装也在逐步融合新兴的信息化和智能化技术。利用印刷电子技术制备微型传感器应用于电商包装可以帮助电商实现包装信息化及可视化。随着智能手机的普及，传感器在包装上的应用展现了丰富的想象空间，电商包装可以通过微型传感器作为流量入口，接驳多方面信息，如对贵重物品实施跟踪监督、监测食物是否变质、提供防伪凭证等。从而，通过印刷电子技术制备微型传感器应用于电商包装具有重要的应用价值。印刷电子技术应用过程中涉及大量的基础科学问题，包括印刷材料、印刷工艺、印刷设备及器件性能等多个方面，其中功能性墨水的制备在实现高性能微型传感器加工过程中起着关键作用。为了更好地了解印刷微型传感器在电商包装中的应用发展现状，本文讨论了在当今电商包装发展需求下制备功能性印刷墨水及印刷电子技术在微型传感器的加工制造方法，并进一步分析了印刷制备微型传感器在电商智能包装应用过程中所需要克服的困难及市场前景。

微型传感器在电商包装上的应用

通过传感器與电商包装有机结合是实现物联网的有效途径，在电商包装运输过程中，通过全球定位系统和无线传输技术，可以对大宗物品进行远程跟踪监督。同时，与相关智能传输系统相结合对包装箱内或集装箱内的温度、湿度、压力等一些重要参数进行调控，可以确保货物所处在一个相对稳定的环境。最近，艾利丹尼森公司研发出了一种全新的乳制品标签传感器，能够即时监测奶制品在运输新鲜度。该传感器还可以监控产品所在的实时位置、运输时间、温度等。并且在某些大宗贵重物品的运输中，我们还可以在产品包装中添加指纹传感器来避免用户信息的泄露。在电商产品运输过程中，跌落冲击是电商运输中最常见的环境负荷，是毁坏货物的主要危险。在跌落过程中，产品受到的冲击力与跌落高度、方向、包装的缓冲结构等条件有关。在包装内部安装一种跌落传感器，可以使物流公司在运输物件时能够合理分配运输方式和运输路线，避免不必要的损失。因此，传感器的微型化与电商包装的结合可以大大拓宽当今电商产品的范围，创新更多的便于人民生活及实际国防民用产品的应用。

基于印刷电子技术制备电商包装中的微型传感器

印刷电子技术是将传统印刷技术和电子技术相结合，伴随着先进材料的研究发展，从而把传统印刷工艺应用于制造先进功能电子器件和高性能产品。印刷电子技术制备微型传感器的主要方式是利用特定的功能性材料、助剂等配置成液态墨水，通过改善承印物表面的印刷适性，并且根据生产生活所需要的功能来设计微型传感器的结构，从而实现微型传感器的全印刷制备。

1.在印刷微型传感器过程中功能性墨水的制备及应用

功能性墨水一般是由溶剂、功能填料、助剂和连结料组成。利用特定的功能材料作为墨水制备的填料，通过烧结工艺和添加分散剂等方法使金属等材料更容易分散于溶剂中，并加入合适的胶料增强墨水的流变性，从而完成功能性墨水的制备。现在制备导电墨水最主要的方法有两种，一种是基于金属材料，另一种是基于碳复合等无机材料来实现各种功能性用途。

利用金属做墨水的功能材料，首要条件就是有很好的导电性能，其次要有稳定的理化性质，良好的印刷适性，便于储存和价格低廉等条件。以银材料举例，银导电油墨是以超细银粉和热塑性树脂为主体而组成的液型油墨。通常以AgNO3作为银元素的来源，通过化学还原制备出纳米银颗粒，并在150℃下进行烧结，使银材料充分分散于溶剂，从而将功能油墨制备出来。另外还可以用多元醇法制备银纳米颗粒油墨，将硝酸银溶于多元醇，并在回流冷凝器中进行还原，离心后银粉经乙醇反复洗涤后室温干燥，再将制得的银纳米颗粒、分散剂等加入溶剂体系中球磨5μm尼龙网过筛后得到银粒径约为20mm的导电油墨。

利用无机非金属材料过程中，当前石墨烯材料因其独特的性能广泛得到了应用，石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米碳材料。自发现初变成了电子、能源、生物等行业的宠儿。通过预氧化石墨方法来制备石墨烯，并在用三角银片在石墨烯间进行穿插，同时加入聚乙烯醇（PVA）使石墨烯功能材料能够稳定分散于溶剂中，从而制备具有导电功能的墨水。

功能性墨水制备过程中相较于传统普通墨水制备具有以下特点：对于普通墨水而言，一般需要墨点圆整度和一致性好、墨层薄、节约墨水、光泽度好、承应能力强、节能环保。以金属为导电材料的功能墨水印刷时，溶剂蒸发，在基板上需要实现导电图案具有导电性能优异、印刷图案质量轻、印刷适性好、固化条件温和、具有可大面积生产的优势，且打印的图案分辨率可达60μm及以下，厚度可控，在塑料薄膜、纸张、陶瓷及金属箔片等多种基材上皆可实现图案化。为了达到导电等性能要求，通常还需要后处理。例如，通过强脉冲光照射，得到导电性为25000s/m的导电线路，使印刷电路的导电性能实现质的飞跃。除此之外，功能墨水还存在其他一些缺点，当功能墨水被印刷到承印物之后，在热处理的过程中溶剂会大量挥发，使得边缘处的比表面积比非边缘处的大，导致边缘处的溶剂挥发速度大于中心处的溶剂，致使最后烧结完成的银导线严重变形。当功能性墨水浓度过低时，导电性能较差，制备的微型传感器容易出现断路情况。同时，油墨的黏度也极难控制。黏度过大，在喷墨印刷中喷头难以喷出油墨，黏度越小，黏度过小就会出现喷溅现象，导致承印物的毁坏。

2.印刷墨水在承印物表面的印刷适性研究

油墨在承印材料上的接触角称为润湿角，是衡量油墨承印材料润湿状况的重要指标，润湿角越大，油墨润湿性能就越差。采用印刷技术将油墨转移到承印物表面时，液滴接触承印物表面时会不可避免的产生润湿角的滞后现象，这种滞后现象影响印刷电路的精度。并且，油墨附着在承印物的表面，其实是一个液-固界面取代气-固界面的过程，通过化学处理和物理处理来改善承印物表面能够避免沾湿和浸湿两种情况，同时调节承印物表面的动态浸润性，控制墨水液滴在空气中蒸发中三相（气相、液相、固相）接触迅速钉扎，减少功能墨水在铺展过程中不规则的组装行为。当液滴的三相接触线施加给功能材料的毛细作用力小于功能材料與基底间的粘附力时，三相接触线可以迅速定扎在纸张的表面阻止液滴向外渗透铺展，实现对液滴中功能材料的有序组装，并在适宜条件下进行干燥，从而完成微型传感器的制作。

3.印刷制备微型传感器性能

现阶段微型传感器的制备主要是依据我们所需要的功能来设计微型传感器的结构，然后传输到信息处理终端。利用套印技术在各种承印物的表面实现微型传感器的印刷，然后在特殊的干燥条件下使油墨稳定沉积在承印物的表面，从而完成微型传感器的制作。其性能主要需要满足以下特点：能够灵敏地感应外部环境的变化，可以将特定的信息转换为电信号上传到网洛终端，并能够在长时间内保持其性能不会变化，同时满足线性范围广，响应快，输出信号稳定性高等特点。

基于印刷电子技术制备微型传感器在电商包装应用中的机遇与挑战

由于印刷电子技术可以实现柔性及大批量制备等优势，大大减少了其他传统加工方式中的污染和能耗等不可避免的问题。同时，随着信息技术的进步，微型传感器已经具备统计处理功能，可对电商包装运输过程中的各种数据进行分析、统计和修正，还可以对温度、噪声、湿度、响应时间等做出误差补偿，实现对包装内产品的时时监控。这些优点使得微型传感器在电商包装领域有广阔的空间。并且就市场占有率来讲，微型传感器是目前最为成功并最具有实用性的微型电子器件之一。过去几十年中，微型传感器在汽车应用和提高员工效率等方面已经积累了良好的应用经验。这都为今后微型传感器在电商包装中的应用提供了宝贵的经验。微型传感器具有良好基础的同时也存在着一些挑战。如何大规模、高效率地生产用于记录产品信息的传感器成为了我们急需解决的问题。现阶段，基于印刷技术制备微型传感器过程中可以从以下几方面解决现有存在的一些应用难题：首先，印刷所需要的功能墨水需要继续提高其分散性、黏度等方面的印刷适性。其次，在传感器应用性能方面的功能材料研发制备与传统墨水分散介质的互配问题等方面仍需要进行大量的研发试验。微型传感器自身成本也制约了其在智能包装上的应用，怎样推广微型传感器在电商包装行业的应用也成为了目前的难题。而且国内多数科技公司制造的微型传感器还未达到智能电子器件发展的高水平阶段，在数字化阶段、智能补偿校准阶段、智能化应用和网络阶段，造成现阶段的微型传感器智难以自检和自诊断、双向通信功能缺失等问题。并且国内正处于新旧动能转换的调整期，产品转型并不是所有国内包装印刷企业能做到的。目前，我国对智能包装技术的投入、高等人才的培养和引进、设备和材料的更新等也还存在一定的不足，这都制约了微型传感器的研发和在电商包装中的应用。

作者单位：齐鲁工业大学（山东省科学院）轻工科学与工程学院