纤维素是地球上储量最丰富、来源最广泛的天然生物聚合物,纤维素分子链间和分子内丰富的氢键网络,使其以多层次结构的方式组织起来,可以通过物理、化学、酶处理等方法分离出纳米纤维素。与纤维素原料相比,纳米纤维素具有高比表面积和高结晶度,表现出优异的力学性能。与传统的纳米填料相比,纳米纤维素具有来源广泛、可再生、可生物降解、生物相容性好、成本低等优点。目前,纳米纤维素已经在食品、生物医学、能源与环境、复合材料等领域展现出良好的应用前景。但是,纳米纤维素作为增强体增强聚合物基体时,填料的均匀分散是一大挑战。全纤维素纳米复合材料（All-cellulose nanocomposites,ACNCs）可以避免纳米纤维素复杂的提取工艺和分散性问题,通过控制溶解和成型工艺,实现一步法制备ACNCs。目前,文献报道的制备ACNCs不仅工艺复杂、条件苛刻,而且复合材料性能不高、稳定性差。基于此,本论文在课题组前期研究工作基础上,以四丁基氢氧化铵（Tetra-butyl ammonium hydroxide,TBAH）、二甲基亚砜（Dimethyl sulfoxide,DMSO）、水为复合溶剂体系（以下简写为TBAH/H2O/DMSO溶剂）,通过衍生化工艺控制,首次观察到纤维素溶液中纳米纤维素的存在;在此基础上,研究了溶解时间对纤维素的尺寸变化和对ACNCs结构和性能的影响;研究了交联剂结构对ACNCs性能的影响。本论文的具体研究工作和主要研究结果包括:（1）研究了纤维素在TBAH/H2O/DMSO溶剂体系的溶解过程,探索了纤维素可控溶解制备纤维素纳米晶的方法,探讨了基于可控溶解制备纤维素纳米晶的机理。通过2,3-环氧丙基三甲基氯化铵（Glycidyl trimethyl ammonium chloride,GTMAC）对纤维素溶液进行醚化反应,向纤维素表面引入带正电的季铵基团,成功实现纤维素溶液中微米级、纳米级和良好溶解后的纤维素的分离。透射电子显微镜（TEM）表征证实了纤维素纳米晶（Cellulose nanocrystals,CNCs）的存在,XRD分析认为衍生化后的CNCs晶型与原料相同,说明CNCs是由纤维素原料分步溶解至纳米尺度形成的;进一步分析对比原料和CNCs特征衍射峰的变化,探讨了TBAH/H2O/DMSO复合溶剂体系对纤维素可控溶解制备CNCs的机理,当纤维素发生溶解时,复合溶剂首先溶解稳定性较差的“非晶区”和“低结晶区”,通过及时终止溶解过程,使得高结晶区被原位保留,而得到CNCs。（2）通过溶解再生工艺控制制备了ACNCs,研究溶解时间对ACNCs结构和力学性能的影响,含有纳米晶的纤维素溶液经过再生、脱溶剂和干燥过程,研制出全纤维素纳米复合薄膜。通过TEM表征发现,纤维素溶液中的CNCs长度最大可达约425nm,宽度最大可达约42 nm,长径比最大可达约26。随着溶解时间的继续延长,溶液中CNCs含量逐渐减少,且CNCs的平均长度、宽度和长径比等特征尺寸也呈现下降趋势,大尺度的微米级和纳米级纤维素都转变成良好溶解性的纤维素。通过XRD表征ACNCs的晶体结构,发现纤维素溶液经过再生后生成纤维素II晶型。随着溶解时间的延长,所得ACNCs的总结晶度呈现初期快速降低,后趋于平缓的特征。ACNCs中纤维素I和II晶型的组成也同样呈现初期快速降低,后趋于平缓的特征。力学性能测试表明,随着纤维素溶解时间的延长,以棉浆纤维素为原料的情况下,ACNCs拉伸强度先增加后降低,溶解时间为180 min时,ACNCs具有最佳的力学性能,其拉伸强度为115.26 MPa。随着溶解时间的延长,拉伸断面上的微米级纤维素消失,断面粗糙度增加,说明延长溶解时间有利于提高纤维素基体和未溶解的增强体之间的相互作用。研究还发现,ACNCs机械性能随溶解时间先升高后降低,这是因为溶解过程中,CNCs的含量和尺寸随溶解时间延长而逐渐减小,CNCs增强作用逐渐减弱。因此对于制备高强度的ACNCs,不仅要考虑基体和增强体的界面粘合,也要兼顾增强体含量和尺寸变化对机械性能的影响。（3）以分子链长最短的环氧氯丙烷（Epichlorohydrin,ECH）、分子链长适中的乙二醇二缩水甘油醚（Ethylene glycol diglycidyl ether,EGDE）、分子链最长的聚乙二醇二缩水甘油醚（Poly（ethylene glycol）diglycidyl ether,PEGDE）为交联剂,通过化学交联进一步增强ACNCs的力学性能,研究纤维素交联剂含量和链长对ACNCs的影响。通过红外光谱表征,证明了纤维素薄膜的成功交联。对于上述三种交联剂都出现同样规律,随着交联剂含量增加,纤维素复合膜的拉伸强度和断裂伸长率都呈现先上升后下降的趋势。随着交联剂分子链长的增加,ACNCs最佳拉伸强度和断裂伸长率都逐渐增加,说明一定程度上增加交联剂链长有利于纤维素材料强度和韧性的提高。