纤维素是地球上最丰富的天然高分子，可以制备成再生纤维素材料或纤维素衍生物。然而，纤维素存在很强的分子内和分子间氢键作用，不能在普通溶剂中溶解，也缺乏热可塑性，致使纤维素的应用受到许多限制。纤维素的化学修饰是以纤维素为原料，通过引入不同的取代基团，赋予其新的结构和性能，是提高天然高分子性能和扩大其使用范围的重要方法。目前，商业化的纤维素衍生物主要是通过淤浆法在非均相条件下合成的。异相体系中， OH的反应活性和可及度取决于在碱催化和反应介质的相互作用时的氢键破坏程度，其主要问题是不能较好地控制反应过程，难以预测产物的性能，因此纤维素的均相衍生化反应意义重大。本工作根据纤维素醚化反应必须以强碱作为催化剂的特点，利用本实验室自主研制开发的纤维素溶剂（碱/尿素溶液）作为反应介质，以丙烯腈为醚化剂，均相合成氰乙基纤维素（CEC），并对产物的结构、性质和应用进行深入研究。本论文的主要创新有以下几点：1）首次在水体系（碱/尿素水溶液）通过均相反应合成氰乙基纤维素，并对其分子结构、溶液性质、热稳定性和热致液晶行为进行深入研究；2）阐明取代度、温度和分子量等一系列变量对水溶性CEC流变行为的影响；3）部分取代的CEC在水溶液可发生溶液-凝胶转变行为，用Winter理论确定其凝胶化温度；4）首次用流变学方法确定了高取代度CEC在DMAc中的标度方程；5）将高取代度CEC溶于DMAc中，通过流延法成膜，并对其力学性能、防水性和介电性质进行研究。本论文的主要研究内容和结论包括以下几个部分。首先，以NaOH/尿素溶液为溶剂和均相反应介质、以丙烯腈为醚化剂，首次在碱水体系均相合成了一系列CEC。随丙烯腈对纤维素AGU单元摩尔比由1:1升高到9:1，产物的总取代度也由0.21升高到2.26。纤维素AGU单元6位羟基的反应活性高于2位和3位。当DS低至0.54时，CEC试样可以溶于水；当DS超过1.37时，它们在有机溶剂中具有较好的溶解性，有机溶剂溶解的试样在140~180°C范围都有结晶熔融峰，并表现出很好的液晶现象。以丙烯腈为醚化剂成功地在LiOH/尿素体系中均相合成了不同取代度的CEC试样。通过核磁共振、红外、元素分析、光散射等测试手段确定其化学结构和溶液性质。通过控制不同的反应条件，可以得到DS值为0.26~1.81的一系列CEC。取代度的大小决定试样的溶解性。水溶性CEC在0.9wt%NaCl水溶液中单链和聚集体并存；而油溶性CEC在0.5%LiCl-DMAc溶液中没有聚集出现，并表现为伸展的刚性棒状链结构。利用光散射和流变仪对不同分子量的水溶性CEC的溶液性质进行了研究。由于分子内和分子间的氢键作用，CEC在水溶液中形成聚集体。随着浓度的增加，CEC溶液的流变行为逐渐由牛顿流体向剪切变稀行为转变。随着分子量的增大，分子间相互作用增强，损耗模量G′′和储能模量G′值相应增加，剪切变稀行为显著。Carreau模型能够很好地描述CEC溶液的剪切变稀行为。在稀溶液中，CEC单链与大的聚集体共存，溶液的流动行为偏离Cox-Merz定律；随着CEC浓度的增加，由于分子链相互交联缠结形成均一的网络结构，其流动行为符合Cox-Merz定律。另外，CEC溶液显示出良好的热稳定性和温度可逆的黏性行为，长时间放置对溶液性质并没有大的影响。流变实验结果证明CEC水溶液在升高温度时会发生溶液-凝胶转变。CEC溶液的凝胶点与温度、溶液浓度以及取代度有关。利用浓度区间确定了稀溶液到浓溶液转变的临界浓度。依据Winter-Chambon理论准确确定体系的临界凝胶化转变温度Tgel，并得到凝胶点时的标度指数n值，升高温度时，CEC溶液发生溶液-凝胶转变，而且该转变过程是不可逆的。当温度高于Tgel时，体系出现微相分离。四个单元的Maxwell模型可以很好地拟合CEC水溶液的动态粘弹行为。通过流变仪对DS为1.49、1.65和1.81的CEC试样在DMAc中的流变行为进行研究。结果显示，随温度升高，高取代CEC试样均形成弱凝胶，且该溶液-凝胶转变是不可逆的。各试样的n值相差很小，表明不同取代度的CEC形成类似的凝胶结构，凝胶强度随取代度的增加而增大。在20°C到80°C内，可以用两个标度方程来描述其溶液行为。CEC溶液的凝胶化过程不仅与温度有关，而且与时间有关。随着取代度的增加，凝胶化时间减小。将不同氮含量的高取代度CEC溶解在DMAc中，通过流延法制得透明薄膜。通过拉力测试、动态力学热分析、热重分析、吸水性、透光性和介电频率谱等对其性质进行表征。实验证明，这些CEC试膜具有较高的透光率和优良的力学性能，随着取代度的增加，σb从42.05MPa增加至119.61MPa，对应的E从1005MPa增加至1458MPa，并能保持较高的断裂伸长率。材料具有较好的热稳定性和抗水性，吸水率与氮含量存在依赖关系。另外，CEC试膜的介电常数高，介电损耗较小，可以应用在许多介电材料中。上述基础研究成果证明碱/尿素溶液体系可以作为纤维素的溶剂和均相反应介质成功制备氰乙基纤维素，由此为纤维素衍生物的合成提供了新的方法。同时，论文阐明了不同取代度的一系列CEC的结构、性质与功能之间的相互关系。这些研究成果将为纤维素衍生物的“绿色”利用提供重要的信息和科学依据，因此具有重要的学术价值和应用前景。