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纤维素在自然界中以纳米纤维素的形成存在。固态下的纤维素存在五种结晶变体（纤维素I，II，III，IV和X），其中纤维素II是最稳定的纤维素。迄今为止，关于纳米纤维素的研究基本上集中于纤维素I型，很少发现有制备不同结晶结构的纳米纤丝的研究。本课题的目的是基于晶型转化技术制备纤维素I、II型纳米纤丝，探索并表征不同结晶结构下纳米纤丝的独特性能；研究乙二胺/碱液处理对纳米纤丝的结晶结构、形貌和性能的影响；形成一套利用生物质原料分离制备高长径比的纳米纤丝及其用于制备高性能纳米复合材料的便捷有效的方法。（1）纤维素I纳米纤丝（CNF-I）的制备：首先利用化学法脱除木粉中的基体物质，再用一次研磨法制备纳米纤丝，结果表明经过超细研磨机的剪切细化作用，可得到高长径比的纳米纤丝，直径分布在15nm左右，长度为几微米。将所得纳米纤丝过滤成膜干燥后，经拉伸测定，纳米纤丝膜呈现出超高强度，拉伸强度高达210MPa，拉伸模量高达11.8GPa，断裂伸长率为7.5%；热膨胀系数仅为9ppm/K。纤维素II纳米纤丝（CNF-II）的制备：以木粉为原料经化学机械处理方法制备了高纯度（92%）且直径分布在15-40nm的纤维素II型纳米纤丝（CNF-II），并与纤维素I型纳米纤丝（CNF-I）进行比较。首先，木粉经脱木素，脱大部分半纤维素处理得到纯度约为85%的纤维素，我们称之为纤维素I；再将该纤维素I经浓度为17.5wt%的碱液丝光处理得到高纯度（95%）的纤维素II；最后将该纤维素II经机械纳米化处理得到CNF-II。X射线衍射（XRD）分析表明纤维素I经碱液丝光处理后晶型发生了转化，由纤维素I型转化为纤维素II型，纤维素II经机械纳米化处理后晶型未发生改变。所得CNF-II呈现出高纯度（92%），高韧性（弹性模量8.6GPa，高断裂伸长率13.6%），低热膨胀系数（15.9ppm/K）以及良好的热稳定性。热重分析表明CNF-II比CNF-I具有更高的热稳定性，这可能是纤维素-II结晶结构中氢键结合更强，以及CNF-II的纯度更高的缘故。（2）到目前为止，尚未发现有对纳米纤丝在胺类（如乙二胺）作用下的反应行为的研究。本研究探讨了乙二胺处理对纳米纤丝的结晶结构、形貌及性能的影响以及利用晶型转化技术制备了水凝胶。结果表明，经机械开纤处理的纳米纤丝（CNF）比未处理的纤维素更易发生晶型上的转化，如从CNF-I向CNF-II，以及CNF-I向CNF-IIII转化，表现为处理次数和时间的缩短，这可能是由于CNF的超精细纳米结构、高比表面积使得乙二胺分子更易进入CNF的结晶区，促使其晶型发生转化。且CNF-I在转化为CNF-II晶型过程中易发生交错结合和团聚，为制备高性能CNF水凝胶提供了依据。从电镜照片观察到相邻CNF-II纳米纤丝间形成了连续缠结的交织网状结构，CNF-II的直径较CNF-I变粗，水凝胶的孔隙度随之增大；力学分析表明该水凝胶拉伸强度可达3.1MPa。（3）从回收废纸中提取纳米纤丝，实现废纸的高值化再利用。回收废纸的角质化使得机械开纤法提取纳米纤丝变得比较困难。研究从干燥纸张中提取纳米纤丝的方法（以废瓦楞纸、废打印纸和漂白牛皮纸为原料），并指出了乙二胺预处理对干燥纸张机械开纤效果的影响。首先以废瓦楞纸、废打印纸原料，通过化学和机械（研磨、超声、离心三步法）方法制备高长径比的纳米纤丝，并将纳米纤丝的离心液过滤成膜得到纳米纸。经测定，以瓦楞纸为原料制得的透明纳米纸的拉伸强度约是原瓦楞废纸的10倍，拉伸强度可达135MPa，拉伸模量可达6.67GPa。所得纳米纸的透光率达到85.2%，线性热膨胀系数为16.2ppm/K。相对于废瓦楞纸，以废打印纸为原料制得的透明纳米纸的拉伸强度相对较低。以上化学结合机械法制备的纳米纤丝需要离心处理，得率约为23.5%。为提高干燥纸张的纳米化机械开纤效率和得率，研究了乙二胺润胀预处理对从干燥纸张中提取纳米纤丝的影响。特选拉伸强度较高的漂白牛皮纸为原料，仅用75%的乙二胺溶剂对其润胀预处理，再结合机械开纤（研磨、均质两步法）从中提取纳米纤丝，无需离心处理。结果表明，乙二胺预处理后的纸纤维的保水值提高了20%左右，使得纸浆中纤丝间结合变得疏松，缓减了纤维角质化，从而提高了通过机械法从废纸中制备高长径比的纳米纤丝的生产效率，节省能耗。所得纳米纤丝直径为15-40nm，分布均匀，拉伸强度可达195MPa，拉伸模量可达10GPa。（4）混溶法制备CNF增强PVA复合材料：利用一次研磨法制得高长径比的CNF悬浮液，与PVA溶液在一定条件下混溶干燥制得CNF/PVA复合材料。FE-SEM表明，CNF与PVA混溶均匀，相容性好，相互缠结在一起形成互穿三维网状结构。CNF/PVA复合材料的热膨胀性相对于纯PVA降低了30%，表明其尺寸稳定性得到了提高；拉伸强度（110MPa）与杨氏模量（6.6GPa）均提高了50%左右。浸渍法制备CNF/PVA复合膜，研究CNF丝光处理的影响：利用一次研磨的CNF，经真空过滤得到CNF膜(CNF-I膜)，经碱液丝光处理制得CNF-II膜。用浸渍法与聚乙烯醇(PVA)溶液复合，制得PVA/CNF-I和PVA/CNF-II复合膜。FE-SEM表明，CNF与PVA复合后，两者界面相容性好，结合致密。拉伸试验分析说明，CNF对PVA具有很好的增强作用，PVA／CNF–I膜的拉伸强度高达142MPa，拉伸弹性模量高达8.7GPa。经丝光处理后，PVA/CNF-II复合膜的断裂伸长率是PVA／CNF–I复合膜的1.7倍，表明其韧性大大提高。此外，PVA/CNF-I复合膜的热膨胀系数（CTE）降到20.5ppm/K，与铝合金的CTE相近，尺寸稳定性大大提高，拓宽了其加工和应用领域。