Nanocomposite hydrogels based on nanocellulose for applications in agriculture

NASCIMENTO, Diego Magalhães do. Nanocomposite hydrogels based on nanocellulose for applications in agriculture. 2019. 163 f. Tese (Doutorado em Química) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2019.This thesis aimed to study the potential use of the nanocellulose obtained fromagroindustrial wastes to develop nanocomposite hydrogels. In the first part of the work,cellulose nanocrystals (CNC) were obtained from cotton linter fibers. Next, gelatinsingle-membrane and gelatin-alginate double-membrane hydrogels reinforced withCNC were prepared. Compared to the neat gelatin single-membrane, the compressivemodulus of the nanocomposite with 5 wt.% CNC was enhanced by 288% and,meanwhile, the nutrient loading capacity was increased by 155%. Compared withgelatin-based hydrogels reinforced with nanocellulose, the double-membranehydrogels showed a slow-release property and better water retention capacity. In thesecond part of the work, cellulose nanofibrils (CNF) were obtained from coconut huskfibers. High-purity CNF and lignin were isolated from coconut fibers through a multistep treatment process that combined steam explosion, organosolv pretreatment,bleaching, and TEMPO-mediated oxidation. The previous steam explosionpretreatment increased the lignin recovery from 45% to 73%. Next, CNF isolated fromsteam-exploded coconut fibers were used to prepare nanocomposite hydrogels.Poly(N,N-dimethylacrylamide) (PDMA) was used as a matrix material for fabricatingnovel nanocomposite hydrogels reinforced with CNF by a facile synthesis method. Thecompression modulus of the nanocomposite hydrogels was significantly higher thanthose of the pure PDMA hydrogels. The water-retention and NPK release studiesindicated that the addition of CNF considerably improved its water-retention capacitybut reduced the nutrient loading capacity of the hydrogel. All the prepared hydrogelsshowed a significantly improved mechanical performance. Our study provides facileand green routes to produce nanocomposite hydrogels with tunable properties forpotential agriculture applications.CAPESEste trabalho de doutorado teve como objetivo estudar o potencial de uso denanoceluloses obtidas a partir de resíduos agroindustriais na elaboração de hidrogéisnanocompósitos. Na primeira parte do trabalho, nanocristais de celulose (CNC) foramobtidos a partir de fibras de linter de algodão. Em seguida, foram preparados hidrogéisde gelatina e alginato-gelatina reforçados com CNC. Os hidrogéis de gelatinareforçados com 5% de CNC apresentaram um aumento da capacidade dearmazenamento de fertilizantes e do módulo de compressão de 155% e 288% emrelação ao hidrogel puro, respectivamente. Os hidrogéis de gelatina-alginatoapresentaram um maior controle durante a liberação dos fertilizantes e melhorcapacidade de retenção de água. Na segunda parte do trabalho, nanofibras decelulose (CNF) foram obtidas a partir de fibras da casca do coco verde. CNF de altapureza e lignina foram isoladas a partir das fibras de coco através de um processo detratamento de várias etapas que combinou explosão a vapor-organossolv,branqueamento e oxidação mediada por (2,2,6,6-tetrametilpiperidi-1-nil)oxil (TEMPO).O pré-tratamento prévio da explosão a vapor aumentou o teor de lignina obtida de45% para 73%. Em seguida, a CNF foi usada para preparar hidrogéisnanocompósitos. Foi utilizado poli(N,N-dimetilacrilamida) (PDMA) como matrizpolimérica para a obtenção dos hidrogéis nanocompósitos reforçados com CNF apartir de uma síntese fácil. O módulo de armazenamento dos hidrogéisnanocompósitos foi significativamente maior que o dos hidrogéis puros de PDMA. Osestudos de retenção de água e liberação de NPK indicaram que a adição de CNFmelhorou consideravelmente sua capacidade de retenção de água, mas reduziu acapacidade de armazenamento e liberação dos nutrientes. Todos os hidrogéispreparados mostraram um desempenho mecânico significativamente melhorado.Nosso estudo fornece rotas fáceis e “verdes” para produzir hidrogéis nanocompósitoscom propriedades ajustáveis para potenciais aplicações na agrícultura