Sensor de umidade quimiorresistivo nanoestruturado impresso em 3D baseado em ABS/NTCS com revestimento de fécula de mandioca (Manihot esculenta)/NTCs

dc.contributor.advisor1REIS, Marcos Allan Leite dos
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/8252507933374637pt_BR
dc.contributor.advisor1ORCIDhttps://orcid.org/0000-0003-2226-2653pt_BR
dc.contributor.memberBRAGA, Alessandra Nascimento
dc.contributor.memberCAVA, Carlos Eduardo
dc.contributor.member1Latteshttp://lattes.cnpq.br/7611599930837576pt_BR
dc.contributor.member1Latteshttp://lattes.cnpq.br/2534829129105740pt_BR
dc.contributor.member1ORCIDhttps://orcid.org/0000-0001-9880-5648pt_BR
dc.contributor.member1ORCIDhttps://orcid.org/0000-0002-7315-9966pt_BR
dc.creatorQUARESMA, Rosielem Silva Dias
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/1384021428369919pt_BR
dc.creator.ORCIDhttps://orcid.org/0009-0002-9212-7414
dc.date.accessioned2026-05-28T21:57:03Z
dc.date.available2026-05-28T21:57:03Z
dc.date.issued2026-04-29
dc.description.abstractWith the growth of the world population, estimates indicate that food demand will increase by 35% to 56% by 2050. Consequently, production in the food industry will need to rise accordingly. In addition, the climate crisis is disrupting the planet’s water cycle, leading to longer droughts and changes in rainfall patterns. In this context, the development of nanostructured sensors for soil-moisture monitoring is valuable. These sensors consist of 3D-printed devices based on a poly(acrylonitrile–butadiene–styrene)/carboxylic-acid-functionalized multiwalled carbon nanotube nanocomposite (ABS/f-MWCNTs) and coated with cassava-starch films nanostructured with f-MWCNTs (CS/f-MWCNTs). Substrates were prototyped and printed by fused deposition modeling (FDM) and nanostructured by immersion in a 7:1 H₂O/N,N-dimethylformamide solution containing 1 mg mL-1 f-MWCNTs under ultrasonic bath. Five sample groups were obtained: nanostructured ABS (n-ABS), n-ABS/CS, n-ABS/n1-CS (1 wt% f-MWCNTs), n-ABS/n2-CS (2 wt% f-MWCNTs), and n-ABS/n3-CS (3 wt% f-MWCNTs). The devices were morphologically characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM) and Raman spectroscopy, as well as by electrical characterization and testing, and contact-angle measurements. SEM results confirmed the surface impregnation of f-MWCNTs in the polymer matrix and the formation of films with an average thickness of 1.645 ± 0.236 μm. Raman spectroscopy revealed the characteristic vibrational modes of CNTs (D, G, and 2D bands), cassava starch, and ABS, indicating that coating with cassava starch and f-MWCNTs modifies the electronic structure of the nanotubes in a concentration-dependent manner. Humidity tests in a chamber, compared with the conventional HW-390 sensor, resulted in average sensitivities ranging from 0,00152 ± 0,00059 %⋅%RH-1 (n-ABS) to 0.03409 ± 0.02829 %⋅%RH-1 (n-ABS/n3-CS). The contact angle decreased from 89.87 ± 0.91° for neat ABS to 45.58 ± 1.33° for n-ABS/CS, indicating increased surface hydrophilicity of the sensor due to the presence of starch and f-MWCNTs. The results indicate that the sensitivity increase with f-MWCNT concentration in the starch film is associated with the formation of conductive networks in the active layer, whose swelling upon hydration of the coating amplifies the change in electrical resistance per unit humidity. The device enables integration into an IoT platform using an ESP32 microcontroller, demonstrating its applicability for remote soil-moisture monitoring.en
dc.description.resumoCom o aumento da população mundial, as estimativas apontam que a demanda por alimentos irá aumentar de 35% para 56% até 2050, consequentemente, a produção na indústria alimentícia deverá ser cada vez maior. Além disso, a crise climática, faz com que o ciclo de água do planeta passe por um desiquilíbrio, causando estiagens mais prolongadas e mudanças nos padrões da chuva. Neste contexto, faz-se necessário o desenvolvimento de sensores nanoestruturados para monitoramento de umidade do solo, compostos por dispositivos produzidos por impressão 3D baseados em nanocompósito poli(acrilonitrila-butadieno-estireno)/nanotubos de carbono de paredes múltiplas funcionalizados com ácido carboxílico (ABS/f-NTCPM) e revestidos por filmes de fécula de mandioca nanoestruturados com f-NTCPM (FM/f-NTCPM). Os substratos foram prototipados e impressos por modelagem por deposição de material fundido (FDM) e nanoestruturados por imersão em solução 7:1 H₂O/N,N-dimetilformamida com 1 mg mL-1 de f-NTCPM em banho ultrassônico. Foram obtidos cinco grupos de amostras: ABS nanoestruturado (n-ABS), n-ABS/FM, n-ABS/n1-FM (1% em massa de f-NTCPM), n-ABS/n2-FM (2% m/m de f-NTCPM) e n-ABS/n3-FM (3% m/m de f-NTCPM). Os dispositivos foram caracterizados morfologicamente por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), por espectroscopia Raman, bem como caracterizações e teste elétricos e ângulo de contato. Os resultados do MEV confirmaram a impregnação superficial de f-NTCPM na matriz polimérica com a formação de filmes com espessura média de 1,645 ± 0,236 μm. A espectroscopia Raman revelou os modos vibracionais característicos dos NTCs (bandas D, G e 2D), da FM e do ABS, indicando que o revestimento com FM e f-NTCPM modifica a estrutura eletrônica dos nanotubos de forma dependente da concentração. Os testes de umidade do sensor em câmara, em relação ao sensor convencional HW-390, resultaram em sensitividades médias que variam de 0,00152 ± 0,00059 %⋅%UR-1 (n-ABS) à 03409 ± 0,02829 %⋅%UR-1 (n-ABS/n3-FM). O ângulo de contato reduziu de 89,87 ± 0,91° no ABS puro para 45,58 ± 1,33° em n-ABS/FM, indicando hidrofilia superficial do sensor com a presença de fécula e f-NTC. Os resultados indicam que o aumento de sensitividade com a concentração de f-NTCPM no filme de fécula está associado à formação de redes condutoras na camada ativa, cuja tumefação através da hidratação revestimento amplifica a variação de resistência elétrica por unidade de umidade. O dispositivo possibilitará a integração a uma plataforma IoT com microcontrolador ESP32, demonstrando sua aplicabilidade em monitoramento remoto de umidade do solo.pt_BR
dc.description.sponsorshipCNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológicopt_BR
dc.identifier.citationQUARESMA, Rosielem Silva Dias. Sensor de umidade quimiorresistivo nanoestruturado impresso em 3D baseado em ABS/NTCS com revestimento de fécula de mandioca (Manihot esculenta)/NTCs. Orientador: Marcos Allan Leite dos Reis. 2026. 102 f. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais) - Campus Universitário de Ananindeua, Universidade Federal do Pará, Ananindeua, 2026. Disponível em: https://repositorio.ufpa.br/handle/2011/18258. Acesso em:.pt_BR
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufpa.br/handle/2011/18258
dc.languagept
dc.publisherUniversidade Federal do Parápt_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.departmentCampus Universitário de Ananindeuapt_BR
dc.publisher.initialsUFPApt_BR
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiaispt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.sourceDisponível na internet via correio eletrônico: bbca@ufpa.brpt_BR
dc.subjectNanotubos de carbonopt_BR
dc.subjectImpressão 3Dpt_BR
dc.subjectFécula de mandiocapt_BR
dc.subjectSensorpt_BR
dc.subjectCarbon nanotubesen
dc.subject3D Printingen
dc.subjectCassava starchen
dc.subject.areadeconcentracaoCARACTERIZAÇÃO, DESENVOLVIMENTO E APLICAÇÃO DOS MATERIAISpt_BR
dc.subject.cnpqCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::MATERIAIS NAO METALICOS::EXTRACAO E TRANSFORMACAO DE MATERIAISpt_BR
dc.subject.linhadepesquisaMATERIAIS NANOESTRUTURADOSpt_BR
dc.titleSensor de umidade quimiorresistivo nanoestruturado impresso em 3D baseado em ABS/NTCS com revestimento de fécula de mandioca (Manihot esculenta)/NTCspt_BR
dc.typeDissertaçãopt_BR

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