纳米纤维素,一种具有高模量和高长径比的天然纳米材料,是在自然界中含量最丰富的天然聚合物,广泛存在于植物、海洋生物和微生物中等。纳米纤维素具有尺寸稳定性、良好的流变性能和加工性能,其高结晶度赋予了纳米纤维素低密度、高比强模量和高比强度等优点。因此,纳米纤维素是一种较为理想并且绿色环保的可再生型补强填料,具有替代传统填料的潜力。本论文通过双重氧化法从针叶材纸浆、微晶纤维素、棉秸秆和蔗渣等四种不同的可再生原料中提取制备得到纳米纤维素（NCC）,并将不同来源的纳米纤维素应用于天然橡胶（NR）的补强,比较了不同纳米纤维素的形貌、粒径、晶型、结晶度和产率以及对天然橡胶的补强效果,以选择出较佳的纳米纤维素应用于改性研究,旨在进一步提高纳米纤维素在橡胶基体中的分散状态。结果表明:不同原料制备的纳米纤维素的形貌、粒径、晶型和结晶度略有差异,但采用针叶材纸浆制备的纳米纤维素的产率更佳。因此,选用阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTMAB）对针叶材纸浆纳米纤维素表面进行改性,结果表明十六烷基三甲基溴化铵成功吸附在纳米纤维素表面且对结晶度影响较小。采用CTMAB改性的纳米晶纤维素（m-NCC）用于补强天然橡胶。在该复合体系结构中,发现当填料含量为10phr时,m-NCC在NR基体中的分散状态以及NR与NCC之间的界面相互作用最佳。NR/m-NCC复合材料的综合性能优于纯NR,其中拉伸强度,断裂伸长率和撕裂强度分别提高了132.8%,20%和66.1%。此外,m-NCC填充的复合材料可以缩短橡胶的硫化时间,并改善NR复合材料的耐高温老化性能。采用CTMAB改性的纳米纤维素部分替代炭黑补强天然橡胶,重点关注了CTMAB对纳米纤维素在橡胶基体的分散状态的影响、以及m-NCC部分替代炭黑对天然橡胶的力学性能和热老化性能的影响。结果表明,NCC或m-NCC部分替代炭黑可以缩短天然橡胶复合材料的正硫化时间;m-NCC提高了其在天然橡胶基体中的分散状态和填料-橡胶界面相互作用,同时对复合材料的热稳定性能影响较小;m-NCC部分替代炭黑补强天然橡胶复合材料的300%定伸应力有所下降,但材料的拉伸强度,断裂伸长率、撕裂强度和耐磨性能明显提高。经70℃的热空气老化处理72h后,m-NCC部分替代炭黑补强天然橡胶复合材料的拉伸强度、300%定伸应力和撕裂强度基本得到进一步提高,但断裂伸长率有所下降。此外,m-NCC替代炭黑填充的复合材料的压缩疲劳生热有所增加,但抗曲挠龟裂性能得到了较好的改善。