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木质素-纳米纤维素作为一种绿色高分子材料，不仅具有天然纤维素的固有特性，同时也具有比表面积大、长宽比高、机械强度高、生物相容性好等优良性能，其含有的木质素颗粒具有改善纳米纤维素疏水性和溶剂相容性的优势，因此其在复合材料领域具有潜在的应用价值。本论文以废报纸为原料，采用硫酸水解法制备不同木质素含量的木质素-纤维素纳米晶体（LCNC），并将其用于增强聚乙烯醇（PVA）水凝胶，探讨不同LCNC添加量对复合水凝胶性能的影响；然后利用超声辅助球磨法将酸解沉淀的木质素-纤维素固体残渣（LCSR）机械解纤成木质素-纤维素纳米纤丝（LCNF），并将其与聚乳酸（PLA）基体共混制备LCNF/PLA复合膜，探究不同木质素含量的LCNF对复合膜性能的影响。主要研究结果如下：
不同木质素含量LCNC的制备。首先，通过控制漂白强度，制备三种不同木质素含量的废纸浆，随后对其进行硫酸水解和透析，从而制得三种木质素含量的LCNC（LCNC-DPL：低木质素含量纤维素纳米晶体；LCNC-DPH：中木质素含量纤维素纳米晶体；LCNC-DP：高木质素含量纤维素纳米晶体）。XPS分析表明以上三种LCNC的木质素含量分别为8.33%、13.54%、19.29%。SEM、TEM及EDX结果表明三种LCNC样品呈典型的棒状纤维，其长度和宽度分别为140nm和11nm，木质素在LCNC表面呈小的球状颗粒。此外，研究表明三种LCNC样品仍保留着纤维素I型结构，随着木质素含量的不断增加，其结晶度逐渐降低，而疏水性和热稳定性逐渐增加。
木质素-纤维素纳米晶体复合聚乙烯醇水凝胶的增强效果。将上述制备的三种LCNC分别与PVA混合制备LCNC/PVA复合水凝胶，发现LCNC的加入明显提高了PVA水凝胶的粘弹性和压缩性能，且随着LCNC用量的不断增加，复合水凝胶的流变及压缩性能随之改善。在PVA体系中加入1%的LCNC-DP，其复合水凝胶的G′max和G″分别是纯PVA的16倍和18倍。在20%应变水平下，PVA/1%LCNC-DP的压缩应力是纯PVA的8倍。其原因主要是在复合水凝胶形成过程中，LCNC和PVA混合后产生机械缠绕，两者形成PVA-PVA、PVA-LCNC和LCNC-LCNC三种类型的配合物。LCNC表面的木质素颗粒作为PVA与LCNC之间的桥梁起到间隔作用，避免了LCNC的自聚集，限制了LCNC和PVA链的组装，形成了多孔网络结构，该结构有利于压缩应力的传递。同时多孔网络结构的存在增加了LCNC/PVA复合水凝胶的粘弹性，从而使复合水凝胶具有卓越的流变性能。此外，随着LCNC中木质素含量的增加，水凝胶的孔径明显减少（从4.26μm降到1.52μm），热稳定性明显提高。另外低剂量（0.1wt.%）LCNC的加入显著提升了水凝胶的溶胀行为，PVA/0.1%LCNC-DPL的溶胀度高达1374%。
不同木质素含量LCNF的制备。采用超声辅助球磨法将酸解沉淀的LCSR机械解纤成不同木质素含量的LCNF（LCNF-DPL：低木质素含量的纤维素纳米纤丝；LCNF-DPH：中木质素含量的纤维素纳米纤丝；LCNF-DP：高木质素含量的纤维素纳米纤丝），测定了三种LCNF的木质素含量分别为7.95%、13.9%、19.5%。形貌分析显示三种LCNF样品中均可以观察到一些相互连通的纳米纤维或单个纤维网络，木质素以小的球状颗粒存在于纤维与纤维之间，三种LCNF的平均直径分别为19.8、17.9、16.1nm，随着木质素含量的增加，LCNF样品的热稳定性和疏水性逐渐增加，但结晶度逐渐降低。
木质素-纤维素纳米纤丝复合聚乳酸膜的增强效果。将上述制备的三种LCNF分别与PLA共混制备LCNF/PLA复合膜，通过测试发现LCNF的加入明显提高了聚乳酸膜的机械性能，且LCNF中的木质素含量越高，复合膜的机械性能越好。木质素含量最高的PLA/LCNF-DP复合膜的抗张强度、断裂伸长率、拉伸模量分别为99.3MPa、14.5%、10.3GPa，比纯PLA分别增加了263.7%、417.9%、505.9%。这是因为在复合膜形成过程中，LCNF中的木质素通过氢键、偶极-偶极作用力很好地与纤维素结合，木质素分子上的非极性基团与PLA的非极性基团形成范德华力，同时木质素的极性基团与PLA的酯基形成氢键，使LCNF与聚乳酸基体之间的粘结力明显增强，聚乳酸膜由脆性断裂逐渐转变为韧性断裂，从而提高了其机械性能。此外，LCNF的添加显著改善了聚乳酸膜的热性能及水蒸汽阻隔性能，同时也增强了复合膜的防紫外线功能，在聚乳酸中加入高木质素含量的LCNF-DP，其复合膜可以屏蔽大部分UVA光谱以及所有的UVB、UVC光谱。
不同木质素含量LCNC的制备。首先，通过控制漂白强度，制备三种不同木质素含量的废纸浆，随后对其进行硫酸水解和透析，从而制得三种木质素含量的LCNC（LCNC-DPL：低木质素含量纤维素纳米晶体；LCNC-DPH：中木质素含量纤维素纳米晶体；LCNC-DP：高木质素含量纤维素纳米晶体）。XPS分析表明以上三种LCNC的木质素含量分别为8.33%、13.54%、19.29%。SEM、TEM及EDX结果表明三种LCNC样品呈典型的棒状纤维，其长度和宽度分别为140nm和11nm，木质素在LCNC表面呈小的球状颗粒。此外，研究表明三种LCNC样品仍保留着纤维素I型结构，随着木质素含量的不断增加，其结晶度逐渐降低，而疏水性和热稳定性逐渐增加。
木质素-纤维素纳米晶体复合聚乙烯醇水凝胶的增强效果。将上述制备的三种LCNC分别与PVA混合制备LCNC/PVA复合水凝胶，发现LCNC的加入明显提高了PVA水凝胶的粘弹性和压缩性能，且随着LCNC用量的不断增加，复合水凝胶的流变及压缩性能随之改善。在PVA体系中加入1%的LCNC-DP，其复合水凝胶的G′max和G″分别是纯PVA的16倍和18倍。在20%应变水平下，PVA/1%LCNC-DP的压缩应力是纯PVA的8倍。其原因主要是在复合水凝胶形成过程中，LCNC和PVA混合后产生机械缠绕，两者形成PVA-PVA、PVA-LCNC和LCNC-LCNC三种类型的配合物。LCNC表面的木质素颗粒作为PVA与LCNC之间的桥梁起到间隔作用，避免了LCNC的自聚集，限制了LCNC和PVA链的组装，形成了多孔网络结构，该结构有利于压缩应力的传递。同时多孔网络结构的存在增加了LCNC/PVA复合水凝胶的粘弹性，从而使复合水凝胶具有卓越的流变性能。此外，随着LCNC中木质素含量的增加，水凝胶的孔径明显减少（从4.26μm降到1.52μm），热稳定性明显提高。另外低剂量（0.1wt.%）LCNC的加入显著提升了水凝胶的溶胀行为，PVA/0.1%LCNC-DPL的溶胀度高达1374%。
不同木质素含量LCNF的制备。采用超声辅助球磨法将酸解沉淀的LCSR机械解纤成不同木质素含量的LCNF（LCNF-DPL：低木质素含量的纤维素纳米纤丝；LCNF-DPH：中木质素含量的纤维素纳米纤丝；LCNF-DP：高木质素含量的纤维素纳米纤丝），测定了三种LCNF的木质素含量分别为7.95%、13.9%、19.5%。形貌分析显示三种LCNF样品中均可以观察到一些相互连通的纳米纤维或单个纤维网络，木质素以小的球状颗粒存在于纤维与纤维之间，三种LCNF的平均直径分别为19.8、17.9、16.1nm，随着木质素含量的增加，LCNF样品的热稳定性和疏水性逐渐增加，但结晶度逐渐降低。
木质素-纤维素纳米纤丝复合聚乳酸膜的增强效果。将上述制备的三种LCNF分别与PLA共混制备LCNF/PLA复合膜，通过测试发现LCNF的加入明显提高了聚乳酸膜的机械性能，且LCNF中的木质素含量越高，复合膜的机械性能越好。木质素含量最高的PLA/LCNF-DP复合膜的抗张强度、断裂伸长率、拉伸模量分别为99.3MPa、14.5%、10.3GPa，比纯PLA分别增加了263.7%、417.9%、505.9%。这是因为在复合膜形成过程中，LCNF中的木质素通过氢键、偶极-偶极作用力很好地与纤维素结合，木质素分子上的非极性基团与PLA的非极性基团形成范德华力，同时木质素的极性基团与PLA的酯基形成氢键，使LCNF与聚乳酸基体之间的粘结力明显增强，聚乳酸膜由脆性断裂逐渐转变为韧性断裂，从而提高了其机械性能。此外，LCNF的添加显著改善了聚乳酸膜的热性能及水蒸汽阻隔性能，同时也增强了复合膜的防紫外线功能，在聚乳酸中加入高木质素含量的LCNF-DP，其复合膜可以屏蔽大部分UVA光谱以及所有的UVB、UVC光谱。