随着近年来对资源和环境的关注,人们对新材料以及纳米复合材料的设计思路也有了新的认识,希望能够在保持材料原有性质的同时,尽量利用可再生、可降解的生物质资源,并通过“绿色”的加工方式获得高性能新材料。纤维素作为地球上最丰富的可再生天然高分子,可用于制备纤维素纳米微晶、纳米纤维和其他纳米功能材料,在能源、水处理、生物医用材料等诸多领域有着广泛的应用前景。以力学增强为主要目的纤维素/聚合物纳米复合材料的研究、开发与利用,一直是国际前沿研究的热点。然而,纤维素亲水性的性质使其在非极性或弱极性的溶剂和聚合物中容易产生聚集,从而阻碍它作为增强材料在大部分非极性或弱极性聚合物中的应用。本论文旨在利用碱/尿素水溶液低温快速溶解纤维素得到的三维纳米孔纤维素凝胶作为纳米增强材料,在凝胶中通过原位聚合方式制备出一系列新型三维纳米孔纤维素凝胶/聚合物纳米复合材料,并系统研究纳米复合材料的结构和性能之间的关系。本论文的主要创新点包括以下几点：(1)利用纳米孔纤维素凝胶(NCG)的纳米纤维网络结构将其作为一种新的纳米增强材料,在NCG中通过原位开环聚合、逐步加成聚合和自由基聚合等聚合方法,制备出一系列高强度NCG/聚己内酯(PCl)、 NCG/聚乳酸-co-聚己内酯(P(LLA-co-PCL)、NCG/聚氨酯(PU)和NCG/聚苯乙烯(PS)纳米复合材料；(2)将愈渗模型成功地用于研究三维凝胶网络增强聚合物纳米复合材料的力学增强行为,揭示NCG对纳米复合材料的增强机理;(3)利用高拉伸性的化学交联纳米孔纤维素凝胶(CCNCG)为纳米增强材料,通过原位聚合方法制备出CCNCG/PCL和CCNCG/PU纳米复合材料,同时阐明其增强和增韧机理；(4)利用高含水量的CCNCG水凝胶和微凝胶MCCNCG为纳米增强材料,通过原位聚合方法制备出高强度CCNCG/聚丙烯酸(PAA)和MCCNCG/聚丙烯酸(PAA)双网络水凝胶,并其力学增强行为。本论文的主要研究内容包括以下几个部分。首先,利用碱/尿素水溶液低温快速溶解方法溶解纤维素,将纤维素从溶液中再生后得到三维纳米孔纤维素凝胶(NCG),经过溶剂置换后在NCG中原位开环聚合ε-己内酯(ε-CL)单体制备出NCG/PCL纳米复合材料。通过改变NCG中ε-CL单体的含量,纳米复合材料中NCG的含量在7%-38%v/v之间。傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和固体13CNMR证明,NCG/PCL纳米复合材料中存在自由状态和接枝状态的PCL,并且PCL的接枝发生在纤维素的C6羟基上。NCG含量为7%v/v的NCG/PCL纳米复合材料中PCL的接枝百分比为25wt%。1HNMR、X射线衍射(XRD)和差示量热分析(DSC)实验结果证明,NCG的存在降低了PCL的数均分子量并抑制了PCL的结晶性能。原子力显微镜(AFM)图像进一步证明,NCG中相互连接的纳米纤维网络结构在聚合后不仅保持完好,而且均匀地分布在PCL基质中。DMA结果显示,在高于PCL的玻璃化转变温度(Tg)和熔融温度(Tm)时,NCG/PCL纳米复合材料的储能模量(E’)明显增加。NCG/PCL纳米复合材料中NCG对纳米复合材料的力学增强行为与愈渗模型相一致,纳米复合材料中的应力转移是通过NCG中相互连接的纤维素纳米纤维之间的强氢键作用和缠结网络结构进行。在纳米孔纤维素凝胶(NCG)中通过原位开环聚合制备出NCG/聚乳酸-co-聚己内酯(P(LLA-co-CL))纳米复合材料。FTIR. XRD和扫描电镜(SEM)实验结果证明,这种一步法制备纳米复合材料的方法在聚合过程中完成了对NCG的表面接枝以及NCG中自由状态的P(LLA-co-CL)无规聚合物填充,并且NCG的纳米纤维网络结构均匀分布在聚合物基质中。纳米复合材料中NCG的含量在4.8%-37%v/v之间。通过调节NCG含量以及P(LLA-co-CL)中两种单体的摩尔比,可以改变纳米复合材料的玻璃化转变温度(Tg)。DMA结果证明,NCG的存在明显提高纳米复合材料的储能模量(E’),尤其是在高于P (LLA-co-CL)的Tg时更为明显。NCG/P(LLA-co-CL)纳米复合材料中NCG对纳米复合材料的力学增强行为与愈渗模型相一致。NCG/P(LLA-co-CL)纳米复合材料的力学性能和热稳定性也得以提高。此外,通过降解实验还发现其具有优异的降解性能,有作为生物材料的潜在应用。在纳米孔纤维素凝胶(NCG)中以聚丙二醇(PPG)为软段,甲苯二异氰酸酯(TDI)和4,4’-二氨基-3,3’-二氯二苯甲烷(MOCA)为硬段,通过原位逐步加成聚合的方法制备出NCG/聚氨酯(PU)纳米复合材料。纳米复合材料中NCG的含量在9%-45%v/v之间。FT-IR和XRD结果证明,NCG/PU纳米复合材料中PU与NCG间存在部分接枝反应和氢键相互作用,并且接枝在NCG上的PU主要在纤维素纳米纤维表面,并使纳米复合材料的结晶度降低。SEM图像结果表明,NCG均匀分布在纳米复合材料的PU基质中。DSC和DMA结果证明,NCG的存在使纳米复合材料中PU软段的玻璃化转变温度(Tg)降低,硬段Tg升高,同时有效增强纳米复合材料的储能模量(E’)。尤其当温度高于PU软段的Tg时,NCG对纳米复合材料的力学增强行为更加明显,并且NCG对纳米复合材料的力学增强行为与愈渗模型相一致。此外,NCG/PU纳米复合材料还具有优良的热稳定性和优异的耐有机溶胀性,在石油化工、交通运输、医用材料等领域有潜在应用。在纳米孔纤维素凝胶(NCG)中通过原位自由基聚合苯乙烯单体制备出NCG/聚苯乙烯(PS)纳米复合材料。纳米复合材料中NCG的含量在10%-60%v/v之间,PS的Mn在178×105g/mol左右。FT-IR、XRD和SEM结果证明,在纳米复合材料中存在自由状态的PS和接枝在NCG纳米纤维表而的PS,并且NCG均匀分散在PS基质中。DSC和DMA结果证明,NCG的纳米纤维网络结构限制了PS分子链段运动,使NCG/PS纳米复合材料中PS的玻璃化转变温度(Tg)升高。NCG的存在增强了纳米复合材料的储能模量,尤其当温度高于PS的Tg时,NCG对纳米复合材料的力学增强更加明显并且符合愈渗模型。拉力实验和TGA结果表明证明NCG对PS同时起到增强和增韧的效果,并且热稳定性提高。通过控制碱/尿素水溶液中纤维素的交联程度得到化学和物理交联共存的高拉伸性化学交联的纳米孔纤维素水凝胶(CCNCG),它具有三维纳米孔结构。FTIR、 XRD和固体CP/MAS13C NMR结果证明,在交联过程中环氧氯丙烷水解后与纤维素分子链上的羟基反应,破坏CCNCG中纤维素的分子间氢键作用,并使其结晶性能下降。由于CCNCG凝胶中氢键和共价键共同作用,CCNCG水凝胶表现出明显的高拉伸性和韧性,当环氧氯丙烷(ECH)与纤维素脱水葡萄糖单元(AGU)摩尔比为0.68：1时,CCNCG水凝胶的拉伸强度和断裂伸长率达到1.1MPa和97%。进一步在CCNCG中分别通过原位开环聚合和逐步加成聚合方法制备出CCNCG/PCL和CCNCG/PU纳米复合材料。SEM图像表明,CCNCG均匀分布在纳米复合材料的PCL和PU基质中。DMA结果证明,高于PCL和PU软段的Tg时,CCNCG对纳米复合材料的储能模量有明显的增强效果。拉力实验结果证明,相比较于NCG而言,CCNCG对PCL和PU起到同时增强和增韧的作用。利用环氧氯丙烷(ECH)为交联剂制备出含水率达到99.4%的化学交联纳米孔纤维素水凝胶(CCNCG),并将其作为纳米增强材料,在CCNCG中原位聚合制备出CCNCG/聚丙烯酸(PAA)双网络水凝胶。实验结果发现,当丙烯酸(AA):AGU摩尔比为52：1时,CCNCG/PAA双网络水凝胶的压缩强度和压缩模量分别达到1.94MPa和0.083MPa。这种双网络水凝胶在高压缩应变下不发生破裂,而且还能够恢复成原始形状。MCCNCG微凝胶也起到类似的力学增强效果。CCNCG/PAA双网络水凝胶和MCCNCG/PAA水凝胶的力学增强行为有待进一步研究。本论文利用纳米孔纤维素凝胶作为新一类纳米增强材料,在凝胶中原位聚合制备出一系列新型三维纳米孔纤维素凝胶／聚合物纳米复合材料。通过研究纳米孔纤维素凝胶与不同极性和不同聚集态结构聚合物之间的相互作用、力学增强行为以及纳米复合材料的结构与性能之间的关系,探索纳米复合材料的潜在应用。本工作有助于促进天然高分子材料的研究、开发与利用,同时符合国家可持续发展战略和目标,因此具有重要的学术价值和应用前景。