基于包裝全生命周期的綠色制造技術體系

張立祥 汪利萍 閆磊磊

(安徽理工大學機械工程學院，安徽 淮南 232001)

近些年來包裝行業快速發展，在促進經濟增長與社會進步的同時，也帶來極其嚴重的環境問題，包裝廢棄物逐年增多。據統計，在中國特大城市中，包裝垃圾增量已占到生活垃圾增量的93%[1]，2015年歐盟24國包裝廢棄物總量為8 450萬t[2]，在這種情況下，綠色包裝作為一種全新的包裝理念掀起了一股以保護生態環境為核心的綠色浪潮。本研究擬建立一套綠色包裝制造技術體系，由關鍵技術層展開分析，并結合生產實例進行評估，以期為包裝的綠色制造提供有效的參考。

1 綠色包裝制造概述

綠色包裝制造并非指傳統意義上的“小制造”概念，即包裝制造加工過程，而是指以4R1D(即 reduce減量、reuse再利用、recover恢復、recycle回收循環、degradable可降解[3])為指導原則，在生命周期過程中，涉及到包裝設計、物料選擇、生產計劃、生產過程、質量保證、經營管理、市場銷售、回收處理等一系列相關活動和作業的總稱。綠色包裝制造強調在包裝的全生命周期中最大程度地節約資源和能源，降低對人體健康和生態環境的危害，并且滿足功能需求且使用效率高[4-5]。中國對綠色包裝制造的研究起步較晚，相對于發達國家仍存在一定差距。

目前，國內外學者對綠色包裝做了一些相關研究。Euihark等[6]基于LCA提出了一種基于排序的決策框架來評估包裝設計對環境的影響，解決不同的環境影響因素之間的相互矛盾；Khalil等[7]將纖維素納米纖維用于可持續包裝，并指出可持續包裝的目標是將功能性和創新性材料使用在包裝上，使產品包裝的成本最小化并減少環境污染；Daniele等[8]從環境可持續性的角度，比較了兩種用于家庭生活的包裝形式，采用LCA法對兩種包裝體系進行排序，并提出一種新的包裝方式將對環境的影響降低了30%；Tom等[9]使用基于LCA的工具EnvPack分析3種食物包裝在包裝鏈中對環境造成負擔的根本原因；Tajik等[10]致力于開發出可降解的可持續綠色包裝來降低包裝對環境的影響；劉飛等[11]從綠色包裝設計技術、綠色包裝材料選擇技術和綠色包裝回收處理技術三方面介紹了綠色包裝技術體系；徐鋒等[12]提出基于低碳與成本約束的機電產品包裝概念設計模式，給出機電產品包裝概念設計階段的低碳與成本計算規則和方法。國內外學者從不同的角度對綠色包裝相關概念進行了研究，但比較分散，尚未形成綠色包裝制造技術體系，而該技術體系涉及包裝的全生命周期以及多種行業技術的交叉，技術體系復雜，尤其中國的綠色包裝制造起步較晚，更需進一步完善與明確。

2 基于包裝全生命周期的綠色制造技術體系

2.1 綠色包裝的全生命周期

傳統的包裝開發流程一般由原材料到報廢呈直線發展(圖1)，在整個流程中，將會產生很多的生態成本，如材料的消耗、能源的浪費以及廢棄物的產生等。而綠色包裝全生命周期遵循環境友好、可持續發展的原則[13](圖2)涵蓋了包裝從原材料、設計、制造生產、使用和回收等過程中的環境特性與資源屬性。

圖1 傳統包裝生命周期快速分析Figure 1 Rapid analysis of traditional packaging life cycle

圖2 綠色包裝的全生命周期快速分析Figure 2 Rapid life cycle analysis of green packaging

如圖3所示，在綠色包裝的全生命周期中，制造體系涉及到多個制造環節的影響，需要對每個階段展開關鍵技術描述，整個體系受綠色制造評估技術與標準法規的影響，并不斷完善與修正。

2.2 綠色包裝制造關鍵技術層分析

2.2.1 綠色包裝設計技術 綠色包裝設計，又稱為面向環境的包裝設計(Packaging Design for Environment，PDFE)，是指在設計中，基于包裝生命周期原理，將包裝的環境屬性和基本屬性作為設計目標，借助各種設計技術。

圖3 綠色包裝制造技術體系Figure 3 Green packaging manufacturing technology system

如圖4所示，在保證包裝應有的基本功能、使用壽命、經濟性和質量等前提下，使設計出的包裝具有良好的環境協調性。綠色包裝設計強調可持續發展的環境戰略，要從根本上減少對環境影響和降低資源消耗,關鍵在于設計階段，不能等包裝產生了不良的環境后果再采取防治措施。

圖4 綠色包裝設計技術Figure 4 Green packaging design technology

2.2.2 綠色包裝材料選擇技術 包裝所使用的材料，不僅影響到包裝的功能也決定了包裝的綠色性能[14]，針對包裝的選材要秉持著功能性、環境性和經濟性原則，提倡包裝使用可循環再生或者對環境危害較低的材料，降低難回收利用材料的使用率，通常會選用可降解包裝材料、可回收包裝材料和可食性包裝材料等。傳統的選材方法主要有經驗選材技術和半經驗選材技術等，考慮較多的是材料的功能屬性和經濟屬性，很少考慮材料對環境與資源的影響。綠色包裝選材技術主要有價值分析選材技術、目標函數選材技術、三維分析選材技術和模糊綜合評估選材技術，其基于可持續發展的觀點，將材料的環境屬性納入考慮范疇以適應現代社會、環境和經濟的發展要求。選材方法見圖5。

圖5 綠色包裝材料選擇技術Figure 5 Green packaging material selection technology

2.2.3 綠色包裝生產技術 綠色包裝生產技術是指在制造過程中采用先進的制造技術降低生產過程中產生的各種能源與資源的消耗，減少廢棄物與對環境和人體有害的物質產生。重點在于實施綠色包裝印刷技術，構建先進包裝印刷數字化體系，利用互聯網、大數據和人工智能等技術，發展云印刷、合版印刷、網絡印刷及個性化印刷等新型包裝印刷方式，如圖6所示。

圖6 綠色包裝生產技術Figure 6 Green packaging production technology

2.2.4 綠色包裝回收處理技術 綠色包裝回收技術主要包括重復使用，回收利用，廢棄物處理。如圖7所示，包裝的回收技術是綠色包裝制造技術體系實現“從搖籃到搖籃”的關鍵技術，包裝報廢后可通過重復使用延長生命周期，或通過材料的方式回收，對于不可再使用的包裝進行對環境與人體最低危害的銷毀，提高包裝對環境的適應性。

圖7 綠色包裝回收處理技術Figure 7 Green packaging recycling technology

2.2.5 綠色包裝制造評估技術 在包裝的全生命周期前期，重點在創造階段，進行包裝制造的評估，提早進行數據采集評估以及即時反饋控制，降低材料與能源的消耗及對環境的污染。綠色包裝制造評估技術是綠色制造技術的保障[15]，從源頭上使整個包裝產業端朝資源利用合理化，廢物減量化，污染輕度化方向發展，具體評估方法：

(1)建立因素集，一級因素集為環境指標U1、回收指標U2、成本指標U3、功能指標U4，二級因素集為綠色材料使用率U11、對環境有害物質U12、固體廢棄物U13等，評判因素集可描述為U={U1，U2，……，Un},Un={Un1，Un2，……，Unm}等，如圖8所示。

(2)建立評價集，運用四級法，用優良中差來度量不同等級，相對應為V={v1，v2，v3，v4}。組織專家對各個因素進行度量，專家人數為m，通過評判優、良、中、差的人數來確定各因素的隸屬度，對應表1，如“綠色材料使用率”10位評審專家評判結果為優8人，良1人，中1人，差0人，則其隸屬度為(0.80，0.10，0.10，0.00)，同理可得其他因素隸屬度，從而建立二級評價矩陣Rn。

(3)建立權重集，運用層次分析法確定各因素權重，由于專家打分主觀性較強，通過粒子群優化算法對打分矩陣進行修正，得出一級權重A={A1，A2，……，An}，二級權重An={An1，An2，……，Anm}。

表1 專家打分標度Table 1 Expert marking scale

圖8 綠色包裝評估體系Figure 8 Green packaging evaluation system

(4)計算一級模糊綜合評價矩陣，計算二級模糊綜合評價矩陣Bn=An×Rn，將Bn歸一化處理，構成一級評價矩陣R=[B1B2B3B4]T，最后計算一級模糊綜合評價矩陣B=A×R，并通過歸一化處理，參考最大隸屬度原則，確定該方案的優劣等級。

3 實例分析

針對某款豆制品包裝設計方案為例，如圖9、10所示。該包裝內部產品包括腐乳、豆渣醬和豆渣煎餅，結合當地特色豆腐文化以及當地特色風景名勝設計其外觀，整個包裝的主旨為“源”，包裝內含有黃豆種子，在包裝完成其基礎功能之后，可用于種植盆栽，如圖11所示。包裝盒是通過黃豆秸稈處理加工成復合材料用于3D打印制備。整個制造及使用流程不僅展現了當地特色文化，也符合綠色包裝主旨，溯本求源。

對該包裝進行數據采集進行綠色度判斷：

(1)對應圖8確定因素集。

(2)請該領域專家進行評分，通過層次分析法確定各因素權重。

一級權重：A={0.28，0.19，0.05，0.48}；

圖9 包裝整體設計方案Figure 9 Overall package design

圖10 包裝內部設計方案Figure 10 Packaging internal design

圖11 包裝使用說明Figure 11 Packaging instructions

二級權重：A1={0.07，0.16，0.06，0.21，0.18，0.18，0.04，0.10}；

A2={0.13，0.06，0.45，0.14，0.08，0.08，0.04，0.02}；

A3={0.16，0.30，0.03，0.04，0.18，0.06，0.09，0.13}；

A4={0.27，0.08，0.03，0.07，0.10，0.29，0.05，0.12}。

(3)確定各因素隸屬度，得到各級評判矩陣。

二級評價矩陣：

通過計算并歸一化處理得出二級模糊綜合評價陣：

B1=A1R1=[0.513 0 0.179 0 0.155 0 0.075 0]；

B2=A2R2=[0.802 0 0.141 0 0.049 0 0.008 0]；

B3=A3R3=[0.673 0 0.136 0 0.174 0 0.007 0]；

B4=A4R4=[0.757 0 0.170 0 0.083 0 0.000 0]。

組合構成一級評價矩陣R=[B1B2B3B4]T，計算并歸一化處理得出一級模糊綜合評價矩陣B=A×R=[0.693 0 0.165 3 0.101 3 0.022 9]。根據最大隸屬度原則知0.693 0為最大值，則對應該設計方案評價結果為優。所以該豆制品包裝在整個生命周期內在滿足基本功能需求的基礎上對環境的危害較低，可以放心投入生產。

4 結論

(1)以4R1D為核心，從綠色設計技術、綠色材料選擇技術、綠色生產技術、綠色回收處理技術和綠色制造評估技術五大關鍵層進行展開，建立一個基于包裝全生命周期的綠色制造技術體系。以實例為證，應用該技術體系有助于在全生命周期早期對包裝綠色度的判斷，在包裝對環境造成負擔前采取解救措施，從根本上降低對環境的影響，為包裝的綠色制造研究與應用提供了指導與參考。

(2)由于包裝綠色制造技術涉及包裝全生命周期，同時又是制造技術、環境技術以及管理技術等多學科的交叉與融合，技術內涵和技術體系復雜，并且隨著時代發展在不斷地更新，所以本研究所構建的技術體系仍需要不斷完善，今后將在上述方面做出努力和探討。