现今绿色食品包装以其生物可降解和环境友好型等特性而逐渐取代以化学合成聚合物为基础的传统包装材料而引起了人们极大的兴趣。相比于石油基聚合物,聚乳酸(PLA)用于包装材料时通常呈现出透明度高、生物可降解、生物相容性高、易加工等优点。然而,PLA的结晶速率慢、脆性、热稳定性低和气体阻隔性差等内在特性限制了其在包装领域的应用。因此,针对聚乳酸以上缺点,利用纳米纤维素作为成核剂和增强填料,对PLA进行物理改性,以提高其韧性、阻隔性、热稳定性和结晶速率等。着重研究了纳米纤维素表面结构设计和形貌尺寸对PLA性能的影响,分别考察了不同含量纤维素纳米球,不同形貌尺寸及纳米球表面接枝柔性长链对PLA力学、热学,阻隔和迁移性能的影响规律。(I)甲酯化纤维素纳米球的制备及性能表征。通过一步法甲酸/盐酸(HCOOH/HCl)混酸水解具有纤维素II晶体结构的lyocell纤维制备功能化的纤维素纳米球(甲酯化球形纳米纤维素,SCNFs)。重点研究了固液比例对SCNFs的产率、微结构和性能的影响。SCNFs显示为球形的纳米颗粒,且尺寸分布较窄(19-29 nm)。X射线光电子能谱表明HCOOH的羧基首先与SCNFs的一级醇反应然后再和二级醇反应。此外,发现在80 oC、8 h和固液比为0.4 g/50mL的条件下制备得到的SCNFs具有较小的尺寸(27 nm)、较高的产率(85.4%)和较高的热稳定性(最大热分解温度(Tmax)为358 oC)。(II)聚乳酸/甲酯化纤维素纳米球纳米复合材料的制备及性能表征。评价了生物可降解聚合物聚乳酸(PLA)作为食品包装材料的应用价值,通过使用SCNFs作为生物成核剂解决了PLA结晶速率慢的工业难题。将制备得到的SCNFs加入到PLA中制备PLA复合材料薄膜。在没有增容剂或表面改性剂存在的情况下,带有疏水酯基的SCNFs能够均匀的分散在PLA中。因此,SCNFs起到了异相成核效应,使得PLA基体的结晶速率增加。随着SCNFs含量的增加,复合材料的力学性能、热稳定性、阻隔和迁移性能都有显著改善。与纯PLA相比,纳米复合材料的拉伸强度,杨氏模量和最大分解温度(Tmax)都在SCNFs含量为10 wt.%时达到最大。同时,复合材料在非极性和极性模拟液中的迁移率都低于食品包装材料现有立法标准的限制要求,这些性能的改善都是由于PLA与SCNFs界面相互作用的改善及PLA结晶度的增加。(III)纤维素纳米球与高长径比纳米纤维素的形貌尺寸效应对PLA性能增强的对比研究。从纤维素原材料中提取了纳米纤维素(NC)包括纤维素纳米球(CNSs)、纤维素纳米晶(CNCs)和纤维素纳米纤维(CNFs)并全面比较了它们形貌、晶体和化学结构,在聚乳酸(PLA)中的分散状态,与基体的相互作用以及对基体聚合物结晶行为、力学、热学、阻隔和总迁移性能的影响。通过溶液流延分别制备了PLA/CNS、PLA/CNC和PLA/CNF纳米复合材料,其中纳米填料的含量都为10 wt%。由于CNFs较大的长径比和纤维缠结,在相同的纳米纤维素含量时,这三种纳米填料中CNFs增强的复合材料取得最高的拉伸强度和杨氏模量,而由于相当多的纤维聚集,CNFs增强的复合材料的断裂伸长率反而最低。使用Halpin-Kardos和Ouali模型来模拟复合材料的模量,发现预测值与实验值比较一致。这种系统比较研究有助于建立一个标准,用于在聚合物纳米复合材料中选择合适的纳米纤维素作为生物基纳米增强剂。(IV)纤维素纳米球表面柔性长链的接枝改性及其对聚乳酸性能的增强研究。最后,针对前面工作中纳米复合材料的拉伸强度和杨氏模量得到显著提高,而韧性没有得到改善这个情况,在纤维素纳米球(CNSs)表面接枝具有增塑作用的聚乙二醇(PEG)柔性长链(CNS-g-PEG),并将其作为增强增韧填料添加到聚乳酸(PLA)中,增加纤维素纳米球与PLA的相容性。由于PEG的增塑效应,PLA和PLA/CNS的截面是脆性的而PLA/CNS-g-PEG则是塑性的。DSC结果显示复合材料的玻璃化转变温度和冷结晶温度随着接枝的PEG链的增长而逐渐降低,表明通过接枝PEG到CNSs上CNSs在PLA中的分散状态得到改善和增塑作用得到增强。随着CNSs或CNS-g-PEG的加入,纳米复合材料薄膜的总迁移和阻隔性能得到显著改善,表明填料趋向于均匀地分散在聚合物基体中并与PLA具有一个强界面相互作用。随着CNS或CNS-g-PEG的加入,复合材料薄膜的拉伸强度也得到有效提高。此外,迁移和吸水结果表明PLA/CNS-g-PEG复合材料显示总迁移和阻隔性能得到改善,揭示了这种纳米复合材料作为薄膜在食品包装的潜在应用。