Development of new low-temperature thermochromic sensors for food cold chain monitoring
Gespeichert in:
| Titel: | Development of new low-temperature thermochromic sensors for food cold chain monitoring |
|---|---|
| Autoren: | Crugeira Solsona, Ferran |
| Thesis Advisors: | Roscini , Claudio, Hernando Campos, Jordi |
| Quelle: | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Verlagsinformationen: | Universitat Autònoma de Barcelona, 2025. |
| Publikationsjahr: | 2025 |
| Beschreibung: | 234 p. |
| Schlagwörter: | Sensors temperatura, Temperature sensors, Sensores temperatura, Termocromisme, Thermochromism, Termocromismo, Ciències Experimentals |
| Beschreibung: | Aquesta tesi doctoral s’ha centrat en el disseny i desenvolupament de materials termocròmics intel·ligents per al monitoratge de la cadena de fred en envasos alimentaris. L’objectiu ha estat crear sistemes termocròmics capaços de romandre en un estat latent fins a ser activats de manera deliberada mitjançant irradiació lumínica i, posteriorment, mostrar un canvi de color clar i irreversible en resposta a temperatures superiors a les adequades per a l’emmagatzematge d’aliments refrigerats. Per assolir aquest propòsit, s’han explorat dues estratègies complementàries: (1) la formulació de pigments termocròmics fotoactivables i irreversibles basats en colorants de tipus leuco, nanopartícules de sílice funcionalitzades i matrius de canvi de fase, i (2) la síntesi de sistemes termocròmics basats en polidiacetilens generats mitjançant polimerització fotoinduïda per UV de monòmers de diacetilè personalitzats. La primera estratègia es va basar en la integració de lactona de violeta de cristall (CVL) com a colorant de tipus leuco amb nanopartícules de sílice funcionalitzades amb grups àcid carboxílic protegits amb o-nitrobencil, incrustades dins de materials de canvi de fase orgànics. Abans de la irradiació UV, el grup protector bloquejava eficaçment la funcionalitat àcida, evitant així l’activació prematura del colorant. Després de la fotòlisi induïda per UV, es generava l’àcid actiu, permetent l’activació tèrmica quan la matriu de canvi de fase es fonia. Aquest procés desencadenava un canvi de color irreversible degut a la interacció entre la CVL i el desenvolupador àcid ja actiu. Aquest disseny assegurava un mecanisme de doble activació: només després de la fotoactivació UV i de l’exposició tèrmica es produïa el canvi de color, proporcionant un mètode robust per a la detecció irreversible d’interrupcions en la cadena de fred. La segona part de la tesi va explorar els polidiacetilens (PDA) termocròmics com a sistema alternatiu. Aquests materials permetien una activació ràpida mitjançant fotopolimerització UV dels monòmers de diacetilè en cadenes conjugades de PDA, seguida d’un canvi de color irreversible de blau a vermell quan s’escalfaven, provocat per reorganitzacions conformacionals a l’esquelet del polímer. Es van sintetitzar disset monòmers de diacetilè amb cadenes laterals diverses (alquíliques, feníliques i d’oligo(etilenglicol)) per ajustar finament el punt de fusió i, per tant, la temperatura de transició termocròmica dins del rang crític de 5 a 20 °C per a aliments refrigerats. |
| Description (Translated): | Esta tesis doctoral se ha centrado en el diseño y desarrollo de materiales termocrómicos inteligentes para el monitoreo de la cadena de frío en envases alimentarios. El objetivo ha sido crear sistemas termocrómicos capaces de permanecer en un estado latente hasta ser activados deliberadamente mediante irradiación lumínica y, posteriormente, mostrar un cambio de color claro e irreversible en respuesta a temperaturas superiores a las adecuadas para el almacenamiento de alimentos refrigerados. Para alcanzar este propósito, se han explorado dos estrategias complementarias: (1) la formulación de pigmentos termocrómicos fotoactivables e irreversibles basados en colorantes de tipo leuco, nanopartículas de sílice funcionalizadas y matrices de cambio de fase; y (2) la síntesis de sistemas termocrómicos basados en polidiacetilenos generados mediante polimerización inducida por UV de monómeros de diacetileno personalizados. La primera estrategia se basó en la integración de lactona de violeta de cristal (CVL) como colorante leuco con nanopartículas de sílice funcionalizadas con grupos ácido carboxílico protegidos con o-nitrobencilo, embebidas en materiales orgánicos de cambio de fase. Antes de la irradiación UV, el grupo protector bloqueaba eficazmente la funcionalidad ácida, evitando así la activación prematura del colorante. Tras la fotólisis inducida por UV, se liberaba el grupo ácido, lo que permitía la activación térmica cuando se fundía la matriz de cambio de fase. Este proceso desencadenaba un cambio de color irreversible debido a la interacción entre la CVL y el desarrollador ácido ya activo. Este diseño aseguraba un mecanismo de doble activación: solo tras la activación por UV y la exposición térmica se producía el cambio de color, proporcionando un método robusto para la indicación irreversible de interrupciones en la cadena de frío. La segunda parte de la tesis exploró los polidiacetilenos (PDA) termocrómicos como sistema alternativo. Estos materiales ofrecían una activación rápida mediante fotopolimerización UV de los monómeros de diacetileno en cadenas conjugadas de PDA, seguida de un cambio de color irreversible de azul a rojo al ser calentados, provocado por reorganizaciones conformacionales en el esqueleto del polímero. Se sintetizó una colección de 17 monómeros de diacetileno con cadenas laterales variables (alquílicas, fenólicas y de oligo(etilenglicol)) para ajustar finamente el punto de fusión y, por tanto, la temperatura de transición termocrómica dentro del rango crítico de 5 a 20 °C para alimentos refrigerados. This doctoral thesis focused on the design and development of smart thermochromic materials for use in cold chain monitoring of food packaging. The objective was to create thermochromic systems that could remain in a latent state until deliberately activated by light, after which they would exhibit a clear, irreversible colour change in response to temperatures exceeding those suitable for refrigerated food storage. To achieve this, two complementary strategies were investigated: (1) the formulation of photoactivable, irreversible thermochromic pigments based on leuco dyes, functionalised silica nanoparticles, and phase-change matrices; and (2) the synthesis of polydiacetylene-based thermochromic systems generated via UV-induced polymerisation of customised diacetylene monomers. The first strategy centred on the integration of crystal violet lactone (CVL) as a leuco dye with silica nanoparticles functionalised with o-nitrobenzyl-protected carboxylic acid groups, embedded within organic phase change materials. Before UV irradiation, the protecting group effectively blocked the acid functionality, thus preventing premature dye activation. Upon UV-induced photolysis, the acid group was liberated, enabling subsequent thermal activation when the PCM melted. This triggered an irreversible colour change due to the interaction between CVL and the now-active acid developer. This design ensured a dual-gating mechanism: only after UV activation and thermal exposure did the colour change occur, providing a robust method for irreversible indication of cold chain breaches. The second part of the thesis explored thermochromic polydiacetylenes (PDAs) as an alternative system. These materials offered fast UV-activation through the photopolymerisation of diacetylene monomers into conjugated PDA chains, followed by irreversible colour transitions from blue to red upon heating, driven by conformational changes in the polymer backbone. A set of 17 diacetylene monomers was synthesised with side chains ranging from alkyl and phenyl to oligo(ethylene glycol) moieties. These modifications allowed fine-tuning of the melting point and thus the thermochromic transition temperature, targeting the critical 5–20 °C range of refrigerated food. Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Ciència de Materials |
| Publikationsart: | Dissertation/Thesis |
| Dateibeschreibung: | application/pdf |
| Sprache: | English |
| Zugangs-URL: | http://hdl.handle.net/10803/695968 |
| Rights: | ADVERTIMENT. Tots els drets reservats. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs. info:eu-repo/semantics/embargoedAccess |
| Dokumentencode: | edstdx.10803.695968 |
| Datenbank: | TDX |
| Abstract: | Aquesta tesi doctoral s’ha centrat en el disseny i desenvolupament de materials termocròmics intel·ligents per al monitoratge de la cadena de fred en envasos alimentaris. L’objectiu ha estat crear sistemes termocròmics capaços de romandre en un estat latent fins a ser activats de manera deliberada mitjançant irradiació lumínica i, posteriorment, mostrar un canvi de color clar i irreversible en resposta a temperatures superiors a les adequades per a l’emmagatzematge d’aliments refrigerats. Per assolir aquest propòsit, s’han explorat dues estratègies complementàries: (1) la formulació de pigments termocròmics fotoactivables i irreversibles basats en colorants de tipus leuco, nanopartícules de sílice funcionalitzades i matrius de canvi de fase, i (2) la síntesi de sistemes termocròmics basats en polidiacetilens generats mitjançant polimerització fotoinduïda per UV de monòmers de diacetilè personalitzats. La primera estratègia es va basar en la integració de lactona de violeta de cristall (CVL) com a colorant de tipus leuco amb nanopartícules de sílice funcionalitzades amb grups àcid carboxílic protegits amb o-nitrobencil, incrustades dins de materials de canvi de fase orgànics. Abans de la irradiació UV, el grup protector bloquejava eficaçment la funcionalitat àcida, evitant així l’activació prematura del colorant. Després de la fotòlisi induïda per UV, es generava l’àcid actiu, permetent l’activació tèrmica quan la matriu de canvi de fase es fonia. Aquest procés desencadenava un canvi de color irreversible degut a la interacció entre la CVL i el desenvolupador àcid ja actiu. Aquest disseny assegurava un mecanisme de doble activació: només després de la fotoactivació UV i de l’exposició tèrmica es produïa el canvi de color, proporcionant un mètode robust per a la detecció irreversible d’interrupcions en la cadena de fred. La segona part de la tesi va explorar els polidiacetilens (PDA) termocròmics com a sistema alternatiu. Aquests materials permetien una activació ràpida mitjançant fotopolimerització UV dels monòmers de diacetilè en cadenes conjugades de PDA, seguida d’un canvi de color irreversible de blau a vermell quan s’escalfaven, provocat per reorganitzacions conformacionals a l’esquelet del polímer. Es van sintetitzar disset monòmers de diacetilè amb cadenes laterals diverses (alquíliques, feníliques i d’oligo(etilenglicol)) per ajustar finament el punt de fusió i, per tant, la temperatura de transició termocròmica dins del rang crític de 5 a 20 °C per a aliments refrigerats. |
|---|