纳米纤维素主要包括纳米纤维素晶须(CNC)和纤维素纳米纤维(CNF),具有突出的力学性能、比强度高、密度比金属小,在建筑材料、汽车材料、医用材料、复合材料等领域有着巨大应用潜力。然而纳米纤维素在用于复合材料作为增强体时存在难分散、易热降解、与聚合物基体相容性差等缺点。为了避免纳米纤维素在使用时的出现的问题,扩大纳米纤维素的应用范围,本文从复合材料的制备方法、纳米纤维素的预处理方式、纳米纤维素的碳化以及与聚合物基体间的界面相容性等方面进行了研究。本论文采用液相混合法和超声辅助母料法制备了ABS/CNC纳米复合材料。在液相混合法中,CNC与ABS在有机溶液的状态下充分混合,然后通过浇铸成膜的方式制成复合材料。液相混合法在常温下就可以进行,可以避免CNC发生热降解,另一方面可以使CNC与ABS充分接触,实现了CNC的均匀分散。超声辅助母料法先将冷冻干燥的CNC、载体树脂和分散剂在有机溶液状态下通过超声分散混合,将有机溶剂去除获得CNC含量高达70%的母料。随后采用工业化普遍使用的熔融挤出方式将CNC母料与ABS树脂混合制成复合材料,同时加入马来酸酐接枝聚乙烯作为ABS与CNC的界面相容剂。结果表明:CNC以母料的热分解温度比CNC提高了近40%,达到263℃,大大提高了CNC在熔融挤出过程中的热稳定性;机械性能测试结果发现0.7%的CNC就可以使ABS的拉伸强度提高15.6%,模量提高52%。为了进一步扩大纳米纤维素的应用范围,研究了纳米纤维素碳化制备碳材料以及在复合材料中的应用情况。分别研究了冷冻干燥的CNC和CNF在碳化过程中的形貌变化、分子结构变化等情况。研究表明:CNC在冷冻干燥前溶液的浓度对最终碳化产物形貌影响比较关键,浓度较低时(0.01%)可以获得纤维状的碳化产物,浓度较高时(2%,6.5%)获得的碳化产物为有序片层结构。而CNF碳化时发现浓度对其碳化产物最终形貌影响不大,都可以获得以纤维结构为主三维网状结构。TG、FTIR测试表明纳米纤维素在碳化过程中主要分为三个阶段:第一个阶段温度低于300℃时,开始发生明显热降解;第二个阶段在温度300-400℃之间失重速率最快,主要完成脱羟基化过程;第三个阶段当温度高于400℃以后,失重速率变化相对平缓,主要完成分子结构重排、碳网的形成。首次用纤维素纳米晶须的碳化产物(CCNC)以母料的形式与聚丙烯(PP)制成复合材料,测试了复合材料的机械性能、SEM、TG/DTG、DSC、FTIR等性能的变化。研究发现:CCNC的加入可以使复合材料的热稳定性提高;DSC测试表明CCNC的加入具有异相成核作用,可以使复合材料的熔融温度和结晶温度上升;FTIR结果表明由于CCNC的加入导致PP分子链的自由运动能力减弱,PP的结晶度降低。CNF的碳化产物(CCNF)经过粉碎超声处理可以获得单根或者“章鱼”状的碳纳米纤维,首次将CCNF制成母料的形式与ABS在挤出机中熔融混合,同时采用反应挤出的方式增进ABS与CCNF之间的界面相容性。结果表明:添加1%的CCNF就可以使复合材料的拉伸强度提高36%;DMA测试发现CCNF的加入使复合材料的弹性增加、粘性下降,说明CCNF与ABS之间形成了良好的界面黏合。