我国是世界上棉花产量第一大国,棉花作物中除棉纤维和棉籽油,棉花秸秆、棉籽壳等副产物还没有得到很好地利用。纳米纤维素,包括纤维状纳米纤维素、棒状纳米纤维素晶体及球状纳米纤维素晶体等,是一种天然纳米材料,本身具有高强度和长径比,可降解,无毒等优势,其在生物质高分子复合材料中的应用研究非常有意义和潜在应用价值。本论文以棉副产物“棉花秸秆”和“棉籽壳”作为主要原料,通过多种物理、化学技术制备纳米纤维素,并将其与聚乙烯醇、聚葵二酸甘油酯、聚乳酸等高分子复合,制备全新生物质复合材料,系统研究材料制备、结构与性能的关系,研究工作对促进棉副产物的高值化回收利用提供了思路。论文首先采用碱高温蒸煮和酸性亚氯酸钠漂白连续处理方法,从棉花秸秆中得到纯纤维素,研究了制备工艺对产物化学结构、形貌及热稳定性的影响。结果表明,当碱浓度为12.5%时,纤维素的结晶度最高,达到64.9%,且纤维素晶型能够维持为I型,此时纤维素含量为68.5%。经过两次酸性亚氯酸钠漂白后,纤维素中的木质素含量降到0.5%以下,得到纯棉秆纤维素。采取硫酸水解法可制备棒状纳米纤维素晶体,提高酸浓度和延长反应时间均能促进纤维素无定形区的水解,且得到的纳米纤维素晶体尺寸越小,最佳酸水解条件是液固比(硫酸溶液体积/纤维素质量)为15 mL/g,反应温度50℃,酸浓度65wt.%,反应时间1小时,此时制备的纳米纤维素晶体直径约在10-30nm,长度在100-300nm之间。化学处理能够除去棉秆纤维中热稳定差的半纤维素和木质素,从而提高纤维的热稳定性,但是硫酸水解后纳米纤维素晶体的热稳定性下降。将制备的纳米纤维素晶体与聚乙烯醇(PVA)复合,纳米纤维素晶体的加入能够有效的提高PVA薄膜的力学性能,当纳米纤维素晶体添加量在3 wt.%时,其拉伸强度和断裂伸长率最高分别达到40MPa和860%,纳米纤维素晶体的加入提高了PVA的结晶温度。以乙醇为共溶剂,在聚葵二酸甘油酯(PGS)预聚体中掺杂棉秆纳米纤维素晶体(CNCs)后,通过高温固化制备了新型的PGS/CNCs全生物质弹性体材料,并通过力学性能、热性能、溶胶-凝胶及吸水性能等测试研究了CNCs对PGS弹性体结构与性能的影响,并分析了CNCs的增强机理。对CNCs进行醋酸酯化改性,并对比了改性前后复合体系的相容性及力学性能。结果表明:随着CNCs用量的增加,PGS基体的拉伸强度和拉伸模量均有较大提高,同时材料的弹性变化不大;凝胶-溶胶测试显示CNCs的加入促使PGS凝胶化程度的增加,凝胶含量提高。延长交联固化时间能够同时提升纯PGS与PGS/CNCs复合材料的交联程度,进而提高其力学强度。醋酸酯化改性可以提高CNCs与PGS的相容性,但力学强度相比未改性CNCs略微降低。CNCs具有调控PGS基体降解速率的作用,添加2 wt.%的CNCs时,PGS/CNCs复合体系的降解速率最大。通过机械研磨-高压均质连续处理、超声辅助混合酸水解和硫酸水解从棉籽壳纤维中分别制备了纤维状纳米纤维素(CNFs)、球型纳米纤维素晶体(SCNCs)和棒状纳米纤维素晶体(CNCs),并研究了其形貌、表面性质、结晶结构及热稳定性等性质。XRD结果表明,经过10%碱处理得到的棉籽壳纤维素晶型为I/II杂化型,其中CNCs的II型比例最高;zeta电位分析显示CNCs的表面电荷最高,SCNCs及CNFs依次下降,原因是酸水解引入了大量带负电荷的硫酸根离子;热稳定性方面,CNFs最好,CNCs最差,这是因为CNCs表面负载的硫酸根离子催化降解作用所致。三种CNs的水悬浮液都显示为剪切变稀的流体流变行为,其中同一剪切速率下,CNFs的粘度最高,CNCs最低。动态流变测试结果CNFs为粘弹性类固态流体行为,SCNCs在高浓度时为粘弹性类固态流体行为,低浓度时为凝胶态流体行为,CNCs为粘性流体行为。CNs形貌是影响其水悬浮液流变行为的重要因素,尺寸越大的CNs(直径及长度),粘度更高,流变行为越复杂,且相行为趋向于粘弹性固态。对于PVA/CNs水溶液体系的流变行为,PVA的浓度、CNs的形貌及添加份数是最主要的影响因素。PVA浓度决定体系粘度的范围,CNs形貌具体影响流变行为的特性,CNs的添加份数决定粘度及溶液相态转变所需的角频率。制备了马来酸酐接枝CNCs改性物,并通过红外表征了其结构。表面元素分析可知,CNCs单个葡萄糖结构单位上MA的基团数约在0.38-0.4之间。在高温和DCP引发剂作用下,可以使PLA与MACNCs原位形成化学键,从而增强了PLA与CNCs之间的界面结合力。通过SEM照片可以看出,未改性的CNCs在PLA基体中团聚严重且界面结合较差,马来酸酐改性后CNCs在PLA基体中分散性得到改善,但界面结合仍较弱,原位反应后界面结合力大幅增强,CNCs在拉伸中不会从PLA基体中拔出。力学性能测试表明:纯PLA的最大拉伸强度(UTS)和杨氏模量(YM)分别为52.1和1130MPa,添加5wt%未改性CNCs的PLA复合材料(PCr5)的UTS和YM分别为32.5和696MPa,添加5wt%马来酸酐改性CNCs的PLA复合材料(PCm5)的UTS和YM分别为43.1MPa和920MPa,添加5wt%马来酸酐改性CNCs并原位反应后的PLA复合材料(PDCm5)的UTS和YM分别为56.3MPa和1550MPa,而断裂伸长率相比纯PLA均呈现下降趋势,其中PCm体系高于PCr和PDCm体系。DMA测试表明材料在玻璃态与橡胶态的储能模量均提高,其中PDCm体系提高最多。在30和80℃时,PDCm5的储能模量分别达到4050MPa和873MPa,而玻璃化转变温度先下降后上升。DSC测试表明CNCs和未交联的MACNCs的加入对PLA的结晶及熔融行为影响不大,而交联后的体系中MACNCs对PLA分子链的限制能力由于化学键而大大增强,导致PLA的结晶温度上升最大。采用2-溴异丁酰溴和叠氮化钠连续取代CNCs表面羟基,红外测试结果显示成功制备了表面含叠氮基团的CNCs-N3改性物。以DCC/DMAP为催化剂,采用4-戊炔酸酯化聚己内酯二醇(PCL diol)末端的羟基,红外及氢谱核磁共振测试结果显示成功制备了末端带乙炔基团的PCL diol-C≡CH改性物。以CuBr/PMDETA为催化剂,采用铜催化叠氮-炔烃Huisgen环加成点击化学法成功在CNCs表面接枝上了PCL diol大分子聚合物。热重测试表明,CNCs-PCL接枝物的热稳定性得到提高。