Low-cost Smart Ink for Intelligent Packaging

Abstract

The evolution in packaging industry has led to the development of intelligent packing solutions, which demands the incorporation of intelligent sensors and antennas into the packaging materials. Such changes allow to better ensure the safety and quality of perishable goods, through control of a multitude of parameters, including humidity, temperature and/or chemical changes. The development of functional and accurate intelligent packaging elements will allow to reduce illnesses caused by the consumption of expired or unsafe products, the negative economic impact that waste has in the supply chain, and the unnecessary pressure it creates in different limited natural resources. Given the need for further development around the topic, the aim of this research was to optimize the composition, production, and patterning of Ti3C2 (MXene)-based functional ink on paper substrates, for the production of eco-friendly, low-cost, and flexible paper-based antennas and humidity sensors. The choice of material was based on the unique properties of MXene, well suited for this work, including its high surface to volume ratio, exceptional conductivity, great stability, and hydrophilic characteristics, attributed to surface functional groups formed during solution processing stages. By patterning a paper substrate with conductive MXene ink it was possible to produce self-powered circuitry design when paired with a polydimethylsiloxane sheet, for which the output dependency on force and frequency of impact was evaluated. Under an applied force of 20 N at 2 Hz the maximum power density and current density obtained was 0.26 W/m2 and 16.89 mA/m2, respectively. This energy harvesting potential was used as input for different antenna designs, within which the best performing one presented a 3.75% efficiency. Additionally, humidity sensing capabilities of MXene were analyzed, for a relative humidity range of 10-60%, by evaluating changes on the electrical impedance of the device.

A evolução da indústria de embalagens levou ao desenvolvimento de soluções de embalagem inteligentes, o que exige a incorporação de sensores e antenas inteligentes. Estas alterações permitem garantir a segurança e a qualidade dos produtos perecíveis, através do controlo de uma multiplicidade de parâmetros, incluindo níveis humidade, condições de temperatura e/ou alterações químicas. Progressos relacionados com a funcionalidade e precisão destes dispositivos, permitirá reduzir as doenças causadas pelo consumo de produtos fora de prazo ou inseguros, o impacto económico que o desperdício tem na cadeia de abastecimento e a pressão desnecessária que cria sobre diferentes recursos naturais limitados. Dada a necessidade de um maior desenvolvimento em torno do tema, o objetivo desta investigação foi otimizar a composição, a produção e a padronização de amostras de tinta funcional à base de Ti3C2 (MXene) em substratos de papel, permitindo a produção de antenas e sensores de humidade ecológicos, de baixo custo e flexíveis, à base de papel. A escolha do material baseou-se nas propriedades únicas do MXene, adequadas a este trabalho, incluindo a sua elevada relação superfície/volume, excecional condutividade, boa estabilidade e características hidrofílicas, atribuídas aos grupos funcionais de superfície formados durante as fases de processamento da solução. Através da padronização de substratos de papel com a tinta condutora de MXene e combinando estas estruturas com polidimetilsiloxano, foi possível conceber nano geradores triboelétricos, para os quais foi avaliada a dependência do sinal produzido em relação à força e à frequência do impacto a que os dispositivos foram submetidos. Sob uma força aplicada de 20 N a 2 Hz, a densidade de potência máxima e a densidade de corrente máxima obtidas foram de 0,26 W/m² e 16,89 mA/m², respetivamente. Esta capacidade de conversão de energia mecânica em energia elétrica foi utilizada para produzir o sinal de entrada para diferentes antenas, para as quais o melhor desempenho registado correspondeu a uma eficiência de 3,75%. Além disso, a possível utilização do Mxene para a deteção de níveis de humidade foi analisada, para uma gama de humidade relativa de 10-60%, através da avaliação das alterações na resistência elétrica do dispositivo à medida que as condições de humidade variavam.