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随着化石资源的枯竭和白色污染的加剧,使用绿色可再生原料制备环境友好复合材料具有重大意义。纤维素是世界上产量最大的天然可再生高分子。近二十年来,由于纤维素纳米晶(Cellulose Nanocrystals,CNCs)具有高强度、优良的光学性质和力学性能等特点,受到了学术界广泛的关注。改进CNCs的制备方法,提高CNCs的产品质量和产率,是当前的研究难点。水性聚氨酯(Waterborne Polyurethane,WPU)由于不含有机溶剂,符合环保的要求,其合成和应用研究越来越广泛。尤其是采用绿色原料如植物油、乳酸等合成WPU成为一个重要的研究方向。本论文针对纳米复合薄膜研究的不足,采用CNCs复合WPU制备复合薄膜,研究其性能,探索其离子相互作用机理,以期为纳米纤维素的高值化应用开辟新的途径,为高强度的纳米复合薄膜的应用提供理论基础和实验依据。WPU中添加CNCs,可以制备高强度的纳米复合薄膜,其在生物医学、家具涂料、食品包装等领域具有应用潜力。本论文的主要研究结果如下:(1)率先采用室温预处理步骤,对硫酸水解法制备CNCs的反应条件进行优化。设置0-180 min不同的预处理时间,考察预处理步骤对制备的CNCs的结晶度、热稳定性、尺寸和产率等物化性能的影响。研究结果表明,随着预处理时间的增加,CNCs的尺寸逐渐减小,CNCs的产率也逐渐下降。制备的CNCs的纤维素晶型保持不变。FT-IR和TG分析结果表明,纤维素的大部分化学结构没有改变,只是在CNCs表面增加了少量硫酸根基团。本研究进一步揭示了不同温度组合对硫酸水解法制备CNCs的影响。在25℃的预处理步骤对CNCs的制备起着重要作用,说明增溶和解聚过程对温度存在着复杂的依赖关系。(2)采用浇铸法在0-100%全组成范围内制备WPU/CNCs纳米复合薄膜。不同于文献报道的CNCs含量低的纳米复合薄膜,该研究大幅度提高了WPU/CNCs纳米复合薄膜中的纳米纤维素含量。对复合薄膜进行了一系列物理化学表征,研究复合薄膜的力学性能、透光性、水蒸气渗透系数(Water Vapor Permeability,WVP)和氧气渗透系数(Oxygen Permeability,OP)等性能。FESEM结果表明,CNCs以平行于薄膜表面的排列方式分布。TG分析结果表明,含10%CNCs的纳米复合膜具有较高的热稳定性。WPU/CNCs纳米复合材料的杨氏模量和拉伸强度均呈指数级提高。纳米复合膜与水的接触角在84～52°之间变化,这与FE-SEM观察结果一致。在CNCs含量为50 wt.%时,WVP值最低,这是CNCs的高结晶度和水溶胀性的平衡影响的结果。随着CNCs含量的增加,从0到90 wt.%,氧气分子通过纳米复合薄膜的传输路径变得越来越曲折,导致OP值大幅降低。WPU/CNCs纳米复合材料具有生物相容性和生物降解性等优点,因此在家具涂料、食品包装、生物医学等领域具有潜在应用前景。(3)基于三种不同离子化的CNCs(SCNCs、TOCNCs和Ca CNCs)制备了WPU/CNCs纳米复合薄膜。力学性能研究表明,加入Ca CNCs的复合薄膜具有最优的强度和韧性。FE-SEM研究表明,WCC10复合薄膜中的Ca CNCs在基体中分布均匀,与基体的界面相容性最好。加入Ca CNCs的复合薄膜,由于其中两组分的相容性最好、薄膜结构致密,因而具有最高的光学透过率。加入三种离子化的CNCs后,复合薄膜的OP值都下降较大。其中,加入Ca CNCs薄膜的OP值最低,这可能是因为添加Ca CNCs的复合薄膜结构更致密。相比SCNCs和TOCNCs,加入Ca CNCs得到的WPU/CNCs复合薄膜的综合性能最优。研究结果表明,带有相反电荷的CNCs对水性聚氨酯复合薄膜的各项性能影响最大。(4)基于PLA二元醇制备阴离子化和阳离子化的WPU复合薄膜(AWPLAU和CWPLAU)。FT-IR分析表明成功合成了AWPLAU和CWPLAU复合薄膜。将阴离子化和阳离子化的CNCs(TOCNCs和Ca CNCs)与合成的WPU复合,对得到的复合薄膜进行物理化学表征,研究复合薄膜的力学性能、透光性、WVP和OP等性能。TG分析表明,Ca CNCs对CWPLAU的耐热性提高较大;XRD结果表明CNCs能促进WPLAU复合薄膜的结晶。力学性能表明TOCNCs和Ca CNCs明显提高了CWPLAU基体的刚性、强度和韧性。相比Ca CNCs,加入TOCNCs的CWPLAU复合薄膜的力学性能更优异。此外,与市售WPU相比,本研究所得WPU的OP值小了两个数量级,在食品包装等领域具有应用前景。(5)碳纳米管/水性聚氨酯/纳米纤维素层状复合薄膜研究。将CNT、WPU和三种CNCs抽滤成不同组成和结构的层状复合薄膜,对复合薄膜的化学成分和微观结构进行表征,探索其性能和应用领域。FE-SEM表明,CNCs在最上层时可以自组装成为长程平行排列结构。复合薄膜的表面亲水性能表明,随着WPU层厚度的增加,复合薄膜的疏水性逐渐提高。