电子产品包装的生态设计研究

■ 文/杭州海康威视数字技术股份有限公司 张浩

电子产业作为高新技术产业的代表，正在快速发展，为现代人们的生活带来了前所未有的体验。中国是电子产品消费大国，也是全球电子制造的主要生产基地之一，同时手机、电脑、家电、精密仪器设备等出口规模也在不断增加。目前电子产品的应用已经渗入到国防、经济和社会的各个领域。相应的带动了包装产业迅速发展，为包装设计行业提供了一个巨大的市场前景，也为包装企业转型发展带来了巨大的机遇。

电子产品的各种功能化设计与使用在为人类创造了现代便利生活方式和生活环境的同时，因为产品包装设计的不合理、包装选材不当和过度包装，加快了资源、能源的消耗，引发了系列的环境问题[1]。在国家走可持续发展道路的策略引导下，人们环保意识逐渐提高，包装绿色生态设计被推上了重要位置。生态包装是绿色包装发展的高级阶段，包装生态设计（Eco-design）在包装设计中强化了生态环境因素的重要性，统筹思考包装生命周期的各个阶段的资源能耗，力求包装在生命周期的每个阶段都符合绿色生态的要求，降低对环境的影响

[2]。对电子产品包装进行生态设计研究对我国的生态建设有着重大意义，同时也有助于促进社会经济的可持续发展。

一、电子产品包装现状

电子产品的定义是以电能为工作基础的相关产品。电子产品的发展历史可以追溯到19世纪30年代，电报的诞生使电子产品出现在大众视野中，然后电话、电子管、集成电路的发明，促使电子产品向着高效能低消耗、高精度、高稳定、智能化的方向快速发展[3]。目前电子产品品类功能越来越多样化，按照用途可分为消费电子、家用电器、办公用品、网络设备和安防监控等类别。同时现代人们对新技术信体验需求的提升也促使电子产品结构更多样化复杂化，内部零部件也更多更精密，因此各种各样的电子产品对包装的要求也更加的严格。

包装作为电子产品在运输和储存过程的基石，其主要作用是保护电子产品避免因恶劣天气和跌落振动而造成损坏。现如今的电子产品产品包装存在对包装材料选材不当、者结构设计不合理、生产工艺不环保、运输成本高以及回收体系不完善等缺点，造成资源不必要的浪费以及破环人与自然和谐相处的原则。因此，现如今市场上的电子产品包装需要设计师和包装相关企业担负起责任，将目光扩散至包装的整个生命周期，遵循包装减量化理念，更加重视绿色生态设计，一切从保护生态环境出发，进行包装设计。

二、电子产品包装生态设计的必要性

包装工业是我国国民经济发展和社会发展的重要支撑，据科尔尼公司预测，2020年中国包装行业市场规模将突破1.3万亿，约占亚太市场的55%的份额[4]。电子产品包装规模在包装工业中占有领先地位，因此电子信息工业全球范围内的快速发展在促进社会进步经济发展的同时，也给我国的生态环境带来了巨大压力，数据显示，我国每年的产生的包装垃圾约占城市生活垃圾的1/3，不但消耗更多的资源，同时也会对空气、水源、土壤等造成污染[5]。

包装垃圾的产生最主要的原因是包装设计和生产的问题，许多企业为了促进销售，吸引消费者眼球，包装设计耗材多、装潢过分华丽，不仅浪费资源也不利于回收，此外包装制造企业的生产工艺过于老旧，污染严重，对生态环境造成了极大影响。想要实现现代包装的可持续发展，就要遵循“减量化”、“可回收”、“可循环”的原则，从源头上降低包装消耗，同时从包装的整个生命周期减少对环境的影响。

电子产品包装的生态化设计，除了是现代包装可持续发展策略的必然要求，也是实现相关包装产业转型升级的强大动力。能够促进提高企业包装研发人员的积极性，设计出创新型包装，提高企业的包装技术水平。此外，我国的包装产业也在大力开展海外市场，包装生态设计可以帮助企业攻克国际绿色贸易壁垒，提高我国包装产品在国际市场的地位，进一步推动我国经济的全球化发展[6]。总而言之，包装的生态设计对我国的经济、社会和生态等方面的持续性发展都有重要意义，而且以生态持续为核心，实现三者之间的有效协调和平衡是关键。

三、电子产品包装生态设计途径

生态设计也被称为“绿色设计”、“可持续设计”、“环境友好设计”或“生命周期设计”等[7]。包装的生态设计应贯穿包装的整个生命周期，遵循可持续发展原则，在材料和结构减量化设计、生产制造、运输销售和回收利用等一切过程中，都遵循减少资源消耗、减少垃圾生成量、最大程度的降低对自然环境的负面影响[8]。目前生态设计除了强调“3R1D”做到减量化、再利用和再循环，新时代高新科技的发展，也赋予了生态设计新内涵，朝着“安全智能”方向拓展[9]。包装生态设计活动的具体操作主要从两个方面考虑，一是从维护生态环境角度考虑，减少资源消耗、实现可持续发展战略；二是从商业角度考虑，提高技术、降低包装成本、减少潜在的责任风险。

（一）包装材料减量化设计

包装减量化是绿色生态包装设计的核心重要组成部分，也是实现包装可持续发展最有效的办法之一。目前我国绝大多数减量化包装都是从材料利用率方面开展，在满足包装基本功能条件下，尽可能的减少包装材料的使用量[10]。电子产品包装材料的减量化设计可以从选用绿色环保材料和减少耗材两方面入手。电子产品包装主要分为内包装和外包装，根据产品对内外包装性能的需求不同，选材也有差异。

外包装材料一般要求强度高，具有优异的保护性能，常选用木质材料和纸质材料。其中，天然木质材料消耗大量森林资源已经不符合绿色环保的要求，渐渐被热压等特殊工序处理后制造的人造板代替，如叠瓦纸板、定向麦秸板（OSSB）。纸质包材因价格低、可降解、易回收等优点，成为电子产品包装使用最广泛的材料之一。常用的纸质外包装为瓦楞纸板，开发轻量、薄壁、强度高的瓦楞纸板是电子产品外包装减量化的研究重点，随着技术的不断进步，瓦楞纸板的类型也不断更新，如由蜂窝纸板制备的蜂窝纸箱，与强度相同的瓦楞纸箱相比，所用原料仅为后者的2/3，极大的节约了资源[11]。

与对外包装材料的性能要求不同，电子产品内包装材料需要提供固定和良好的缓冲作用。选材可分为发泡塑料、气泡薄膜、纸浆和植物纤维发泡材料几大类。其中，发泡塑料因为优异的成型性、压缩回弹性和质量轻被广泛应用于电子产品的内部包材。但常用的发泡塑料如发泡聚苯乙烯（EPS）难以生物降解并在高温下可释放双酚类有毒物质，引起“白色污染”，严重影响生态环境和人类健康，发泡聚丙烯（EPP）虽符合环保要求但原料不易得造价高。因此，内包装得减量化设计对包材的要求是不仅做到可降解可回收，也要资源丰富成本低同时具备轻量化的特点。杨鹏等以秸秆等农林废弃物为基材，利用生物原位成型技术成功制备出ECO生物质板，该新材料不仅具有较好的缓冲性能，也可以防水阻燃，并且易于生物降解。与其他可降解材料相比，具有价格低廉、可推广性强等优点，是一种具有广泛应用前景的新型缓冲包装材料[12]。一些企业也积极承担起责任，引领创新潮流，如戴尔公司在革新包材方面取到了很大进展，以秸秆竹子和蘑菇等为原料制备的包装替代传统泡沫包装，到2015年戴尔公司已经有70%的笔记本包装采用可持续新包装，预计2020年实现包装100%可回收或可降解的目标[13]。

总而言之，包材减量化是包装生态化设计第一步也是举足轻重的一步，主要围绕资源丰富、零废弃、低成本、质轻薄壁、零废弃、可循环可回收开展工作，将为维护生态环境，促进社会经济发展做出重大贡献。

（二）包装结构减量化设计

包装减量化理念的本质是包装物量的减少，但其实施途径不应仅局限于减少包装材料的使用，包装结构的减量化设计对包装生态化发展同样重要。电子产品包装结构的减量化设计应考虑包装成本与内装产品的价值成正比，造型简单化、包装层数减少化、包装体积减小化，提高资源利用率的同时方便堆积降低运输成本。

造成电子产品包装体积庞大的主要原因有两种：一是外包装体积是产品体积的一倍甚至多倍；二是外包装内增加多层隔板或者大量空隙使包装的整体体积变大。因此，结构设计师要尽量避免重复结构设计，从而避免因为多层包装而引起的体积过大现象[14]。同时，结构设计可以从选材上改进，选择壁薄性能佳的绿色生态包装材料来减少整体包装的体积。如用量子尺寸的纳米材料代替传统污染大的塑料材料，不仅可以减小包材厚度，也具有防静电、防电磁等优良性能，给予电子产品更好的保护。

包装结构减量化设计除了降低包装体积外，也要从注重包装容器造型设计的简约实用。为了促进销售许多包装设计者不满足千篇一律的包装形状，往往通过改变包装结构的折叠线或者延长壁板进行异形设计，同时增加各种颜色油墨的用量，不仅消耗更多的包材，也增加了环境压力，与生态包装理念背道而驰。与此相反，一体成型的包装结构被广泛研究，并逐步取代模切组合纸容器，一体成型包装通过穿插、折叠等方式成型，结构简单同时可以借用计算机技术辅助生产[14]。如图1所示，阳光印网公司研发了一种新型无胶封箱，减少了难以降解的胶带使用量，不仅安全牢靠，而且封箱时间缩短了60%，开启时间缩短了80%，显著的提高包装效率。此外，该包装结构近乎100%回收再利用，从源头上减少了资源浪费[15]。

图1 阳光宝盒U型锁扣环保箱封口示意图

（三）创新生产工艺设计

生态包装对包装生产工艺的要求是清洁生产，降低成本。清洁生产通过避免使用有毒材料，提高原料利用率，减少“三废”排放等工艺技术，预防和削减产品在整个生命周期内对环境产生负面影响[16]。我国传统的包装生产工艺有着规模小、技术低、耗能高、污染大的特点，生产模式比较粗放，达不到绿色生产的要求[17]。创新驱动发展，随着“中国制造 2025”、“互联网 +”、“创新驱动发展战略”等战略的实施，包装工业快速转型，踏上智能制造之路。目前许多包装相关上下游企业生产工艺的创新设计主要围绕“智能制造”开展，例如华章科技作为造纸行业的综合服务商，以工业自动化为基础，打造最全面的清洁生产服务模式，致力于造纸企业提供基于智能制造、清洁生产、项目总包的服务。其通过智能设备处理造纸过程中产生的废水、废气、废渣，并将固态废弃物做成垃圾衍生燃料，不仅可以改善区域的生态环境也可以促进资源的循环利用[18]。

此外，有些包装企业采用高新技术，对生产设备进行合理改造，重点发展智能化、柔性化包装成套装备以及包装机器人、包装机械手、包装运输机器人等智能装备[19]，实现包装机器自动化、包装生产线流程化数字化，促使构建包装“无人工厂”，从商业角度体现了生产工艺的生态设计，提高生产效率，同时可以节约大量人力成本，也减少了潜在的责任风险。目前已经有许多知名包装企业投入大量资金进行智能化建设，大大节省了包装成本，如海科和大族冠华利用数字激光切割技术，实现了模切刀版的智能换型和切割过程的高度智能化[20]，纸包装企业如浙江大胜达、上海龙利得等已经投入大量资金建造智能工厂，引领创新包装生产走向高技术、环保化新航道[21]。

（四）高效运输体系设计

运输包装生态化设计并不意味着用简陋的包装形式或者摒弃集装箱、托盘等设备，而是应该通过优化设计，提高运输包装空间利用率，降低能量的消耗，减少运输工具尾气的排放，实现生态保护的目的[22]。并且充分与互联网、物联网、人工智能等先进信息技术相结合，构建共享体系减少耗材，同时使管理者快捷的获知产品在运输或仓储过程中的信息，降低物流管理成本。

托盘和包装箱是物流运输包装的基本形式，以托盘为例，要实现运输包装的生态化设计，首先要实现托盘设计的标准化，根据需求设计系列化尺寸大小。标准化的托盘方便产品包装的有序堆码，节省码放时间和空间占比，同时有效的简化了物流的装卸、周转作业，提高整个物流体系的效率，全方位降低物流费用[23]。托盘的标准化管理也有助于推进托盘共享体系的建立，减少宝贵的森林资源的消耗，提高资源配制，进一步减少物流成本。目前在国外，托盘的共享应用是以大型托盘供应商为主导的共享租赁为主。国内如华润集团已经实现供应商、配送仓库和终端门店之间全环节带板运输，大大提高了工作效率[24]。

除了建立标准化运输包装共享体系，将物流运输包装智能化也是一种包装生态化新思路。采用自动标识与数据采集（Auto Identification and Data Collection，AIDC）技术，可以随时记录包装的运输状态、环境变化以及物流作业状态等，实现流程自动化，使管理者能有效执行优化管理，提高供应链效率、降低人力资源的使用[25]。

（五）回收再利用设计

包装的整个生命周期主要分为原材料提取与加工、包装制造和运输、包装的使用和维护、包装废物处置四个阶段，其中最后一个阶段的工作对市场经济以及生态环境都有不可小觑的影响。传统的包装利用模式是“资源—产品—污染排放”的粗放型发展模式，而循环经济下，其模式转变为“资源—产品—废弃物—再生资源”的可持续发展模式。回收再利用体系设计的目的是让生命周期结束的“包装废物”经过处理后变成“再生资源”，通过包装的循环利用降低原材料的使用量与污染物排放量以降低对环境的影响[26]。

目前我国包装的绿色回收利用体系仍不健全，包装企业作为循环经济的执行者，应主动承担起责任，构建一个比较规范的回收体系。回收的主要意图是资源循环再利用，因此包装企业可以重点研究废弃包装的循环利用技术，并与上下游企业、社区回收站和城区集散中心建立密切合作关系网，实现包装废弃物的一级回收，确保再利用的安全性以及环保性[26]。此外，包装标准是衡量包装行业发展的重要指标，政府相关部门要有计划有条理的出台与绿色相结合的包装标准，用标准化手段解决包装污染、过度包装等问题，引导包装企业建立完善的回收体系，同时也可以设立绿色包装专享基金，扶植支持包装生态化建设，在鼓励包装企业重视回收再利用技术创新的同时，倡导有条件的企业合作建立系统科学的包装废弃物回收利用网络。

四、结论与发展趋势

随着电子产品行业的迅速发展，也带动着与其紧密相关的电子产品包装设计行业的同步发展。与此同时，我国电子产品包装出现与可持续发展战略不和谐的现象，给生态环境带来了巨大压力，因此电子产品包装生态设计显得尤为重要。包装的生态设计是从包材加工的能源消耗及可再生性、包装的持续使用性、包装加工及使用的污染度以及加工运输成本概算等多方面进行综合考虑，在包装全生命周期都贯彻绿色理念，结合信息科技新技术用最少的生态成本获得社会经济的最大产出，寻求一种人与自然及资源和谐相处的最佳模式。

未来电子产品包装的生态化发展，除了大力研发可生物降解的绿色新材料之外，也应提高自主研发和技术创新能力，降低材料和技术成本，将智能技术更合理的“嫁接”在电子产品包装中。此外，在垃圾分类新政策背景下，设计更多使用较少辅料或者不用辅料的包装结构，方便回收循环利用。相信通过人们的共同努力，我国包装会真正向着绿色、环保方向前进，而不是口号上的实现绿色生态包装。