Sustainable Energy Harvesting Paper for Interactive Smart Packaging
Autor(a) principal: | |
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Data de Publicação: | 2022 |
Tipo de documento: | Dissertação |
Idioma: | eng |
Título da fonte: | Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) |
Texto Completo: | http://hdl.handle.net/10362/147264 |
Resumo: | Embalagens Interativas, uma subseção das Embalagens Inteligentes, referem-se a embalagens que interagem com o consumidor através de elementos funcionais e engraçados que podem ser rótulos impressos, chips de comunicação sem fios, códigos de resposta rápida, sistemas de luz ou som. Estes elementos frequentemente requerem uma fonte de energia, sendo os dispositivos coletores de energia (DCEs) uma escolha favorável. Nos últimos anos tem havido uma tendência, em relação à seleção de materiais sustentáveis, de baixo custo, globalmente difundidos e ecológicos para a produção de DCEs inteligentes, autossustentáveis e multifuncionais, mantendo o potencial de captação de energia desejado. Além disso, é desejável que o método de produção dos referidos DCEs seja facilmente escalável e de baixo custo, permitindo a produção em massa. Este trabalho teve como objetivo a produção de um DCE multifuncional baseado em papel, para ser integrado em embalagens interativas. Para substituir materiais já usados em DCEs piezoelétricos e triboelétricos como o substrato de politereftalato de etileno (PET) com óxido de índio estanho (ITO) e a matriz de polidimetilsiloxano (PDMS), os papéis Navigator e Whatman foram estudados, bem como etilcelulose (EC) e carboximetilcelulose (CMC), como alternativas mais sustentáveis mantendo ainda as propriedades adequadas para a produção de DCEs robustos. Com base em trabalhos anteriores, os bastonetes de óxido de zinco (ZnO) foram considerados para a integração em DCEs, devido à propriedade piezoelétrica aliada à sustentabilidade e ampla disponibilidade das matérias-primas. Os bastonetes de ZnO foram obtidos por síntese hidrotérmica assistida por irradiação de micro-ondas. As estruturas de ZnO puro foram obtidas através de uma síntese facilmente reprodutível, de baixo custo e bem controlada. Várias combinações entre os dois substratos, as três matrizes e os bastonetes de ZnO foram exploradas para maximizar o desempenho dos DCEs. A melhor tensão de saída obtida durante este trabalho foi do DCE com bastonetes de ZnO misturados em EC depositados no papel Whatman entre elétrodos de PET/ITO, que atingiu uma tensão média pico-a-pico de 3.5 V, com uma força de 9 N. |
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Sustainable Energy Harvesting Paper for Interactive Smart Packagingsmart packagingenergy harvestingpiezoelectrictriboelectricZnOpaperDomínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia dos MateriaisEmbalagens Interativas, uma subseção das Embalagens Inteligentes, referem-se a embalagens que interagem com o consumidor através de elementos funcionais e engraçados que podem ser rótulos impressos, chips de comunicação sem fios, códigos de resposta rápida, sistemas de luz ou som. Estes elementos frequentemente requerem uma fonte de energia, sendo os dispositivos coletores de energia (DCEs) uma escolha favorável. Nos últimos anos tem havido uma tendência, em relação à seleção de materiais sustentáveis, de baixo custo, globalmente difundidos e ecológicos para a produção de DCEs inteligentes, autossustentáveis e multifuncionais, mantendo o potencial de captação de energia desejado. Além disso, é desejável que o método de produção dos referidos DCEs seja facilmente escalável e de baixo custo, permitindo a produção em massa. Este trabalho teve como objetivo a produção de um DCE multifuncional baseado em papel, para ser integrado em embalagens interativas. Para substituir materiais já usados em DCEs piezoelétricos e triboelétricos como o substrato de politereftalato de etileno (PET) com óxido de índio estanho (ITO) e a matriz de polidimetilsiloxano (PDMS), os papéis Navigator e Whatman foram estudados, bem como etilcelulose (EC) e carboximetilcelulose (CMC), como alternativas mais sustentáveis mantendo ainda as propriedades adequadas para a produção de DCEs robustos. Com base em trabalhos anteriores, os bastonetes de óxido de zinco (ZnO) foram considerados para a integração em DCEs, devido à propriedade piezoelétrica aliada à sustentabilidade e ampla disponibilidade das matérias-primas. Os bastonetes de ZnO foram obtidos por síntese hidrotérmica assistida por irradiação de micro-ondas. As estruturas de ZnO puro foram obtidas através de uma síntese facilmente reprodutível, de baixo custo e bem controlada. Várias combinações entre os dois substratos, as três matrizes e os bastonetes de ZnO foram exploradas para maximizar o desempenho dos DCEs. A melhor tensão de saída obtida durante este trabalho foi do DCE com bastonetes de ZnO misturados em EC depositados no papel Whatman entre elétrodos de PET/ITO, que atingiu uma tensão média pico-a-pico de 3.5 V, com uma força de 9 N.Interactive Packaging, a subsection of Smart Packaging, relates to packages that interact with the consumer through functional and amusing elements that can be printed labels, wireless communication chips, quick response codes, light or sound systems. These elements frequently require an energy source, with energy harvester devices (EHDs) being a favorable choice. In the past few years there has been a tendency towards the selection of sustainable, low-cost, widespread, and environmentally friendly materials for smart, self-sustainable, and multifunctional EHDs, while keeping the desired energy harvesting potential. Furthermore, the production method of said EHDs is desirable to be easily scalable and low-cost, allowing mass production. This work aimed at producing a multifunctional EHD based on paper, to be integrated into interactive packaging. To replace materials commonly used in piezoelectric and triboelectric EHDs like the polyethylene terephthalate (PET) substrate with indium tin oxide (ITO) and the polydimethylsiloxane (PDMS) matrix, Navigator and Whatman papers were studied, as well as ethyl cellulose (EC) and carboxymethyl cellulose (CMC), as a more sustainable alternative that can still offer suitable properties for the development of robust harvesters. Based on previous works, zinc oxide (ZnO) rods were considered for the EHDs assembly, due to the piezoelectric property allied with the sustainability and wide availability of raw materials. The ZnO rods were obtained by hydrothermal synthesis assisted by microwave irradiation. Pure ZnO structures were obtained through an easily reproducible, low-cost, and well-controlled synthesis. Various combinations between the two substrates, the three matrices, and the ZnO rods were exploited to maximize the performance of the EHDs. The best output voltage obtained during this work was from the EHD with ZnO rods mixed in EC deposited in the substrate Whatman between PET/ITO electrodes, which reached an average peak-to-peak voltage of 3.5 V, with a 9 N pushing force.Santos, AndreiaRovisco, AnaRUNSilva, Tiago Xavier Veríssimo da2023-12-31T01:31:25Z2022-12-132022-12-13T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10362/147264enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2024-03-11T05:28:19Zoai:run.unl.pt:10362/147264Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-20T03:52:50.952019Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse |
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