合成塑料由于具有质轻、防水、耐用和低成本等优点,已广泛应用于人类社会。然而,由于塑料制品主要来源于日益枯竭的石油资源,以及它们废弃后不可生物降解而造成严重白色污染。面对资源和环境的双重压力,利用可再生资源生产环境友好材料已迫在眉睫。生物塑料是指从植物油、玉米淀粉、豌豆淀粉和微生物等可再生生物质生产的塑料。纤维素是地球上最丰富的天然高分子,也是将来化工生产的主要原料之一。尽管纤维素衍生物早已用于加工成塑料,但是直接利用纤维素浆料制备生物塑料仍是一个很大的挑战,因为纤维素刚性分子紧密堆积而不能熔融加工。本工作重点解决利用纤维素而不是它的衍生物加工成塑料的问题。首先,将纤维素低温溶解在碱/尿素水溶液(7wt%NaOH/12wt%尿素或4.6wt%LiOH/15wt%尿素水溶液),然后通过加入非溶剂物理交联形成水凝胶。基于纤维素水凝胶中分子链束的可移动性,通过热压构建出纤维素生物塑料。同时,通过非共价力引入无机或有机物到纤维素塑料中构建出功能材料。通过扫描电子显微镜(SEM)、固体核磁共振碳谱(13C-NMR)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和动态力学热分析(DMTA)研究纤维素塑料及其复合物以及纤维素气凝胶的结构和性能。本论文的主要创新点是：(1)突破传统加热熔融高分子加工塑料的方法,基于纤维素分子链束在凝胶状态的可移动性,通过简单热压法改变纤维素水凝胶的聚集态结构和形状,构建出高强度、低热膨胀系数和抗有机溶剂的新一类生物塑料；(2)基于纤维素和荧光分子基团之间强氢键作用,制备出荧光纤维素塑料,并阐明其荧光性能；(3)基于粘土和纤维素之间的亲和力使粘土均匀分散于纤维素溶液中成功制备出高强度的纤维素/粘土生物塑料；(4)通过原位合成,在纤维素气凝胶基底上制备出TiO2/纤维素杂化材料,并在低温下实现TiO2从无定形到锐钛矿晶型的转变；(5)基于纤维素-OH还原Ag+和H2O2的氧化能力,两步法成功制备出Ag3PO4/纤维素复合凝胶,并阐明其可见光催化功能；(6)通过控制硝酸锌溶液的水含量和分解OH-速度的不同,成功制备出具有不同ZnO晶体形状的纤维素复合物,并阐明ZnO形貌对性能的影响。本论文的主要内容和结论简述如下。纤维素由于分子内和分子间很强的氢键作用而不能熔融加工成塑料。然而利用碱/尿素水溶剂低温溶解纤维素经物理交联制备出纤维素水凝胶,其分子链束具有可移动性。由此,突破加热熔融高聚物再加工成塑料的传统方法,利用热压纤维素水凝胶改变其聚集态结构和形状,由此成功制备出新一类生物塑料(CBP)。纤维素水凝胶热压可诱导纤维素分子束在平面方向上产生各向取向,在垂直方向则增加无定形区。该生物塑料中分子链束均匀地平行取向,导致良好的光学透过率和强度。这种纤维素塑料比普通塑料和再生纤维素薄膜具有更高的拉伸强度、弯曲强度和热稳定性以及较低的热膨胀系数。热压导致改纤维素塑料有序拉伸取向,从而制得高强度材料。全生命周期评价证明,纤维素生物塑料是一种环境友好材料。这种用纤维素纸浆直接构建生物塑料的崭新技术以及生物塑料的众多优点将明显扩大纤维素的应用范围。基于荧光剂的极性基团与纤维素分子上OH基形成强氢键力而结合,由此引入纤维素塑料中构建出荧光材料。利用含荧光物质的纤维素水凝胶经简单热压过程成形制备出罗丹明B-纤维素塑料(CRP)和荧光素-纤维素塑料(CFP)。同时,热压诱导纤维素水凝胶在水平方向上平行取向。由于纤维素水凝胶中大量的羟基和微纳米孔穴可以很好的抓捕、容纳和固定含有N和羟基的染料分子,从而产生荧光塑料。而且,染料分子在热压过程中没有发生化学变化,是物理过程。这种荧光塑料显示优良的力学性能、良好的热稳定性和光致发光性,因此它们在光学材料和防伪器件上具有潜在应用前景。通过一种简便有效的方法将粘土成功地引入到纤维素水凝胶中,并通过热压制备出纤维素/粘土复合塑料。TEM、SEM和FT-IR结果证明粘土与纤维素间形成强氢键力导致粘土以薄片层牢固地固定在纤维素塑料中,形成有机/无机复合塑料。随着粘土的加入,复合物塑料的拉伸强度和模量增加,而且粘土层之间显示更紧密的结构。这种复合塑料具有平滑的表面、优良的力学性能和热稳定性以及阻燃性。因此它们在阻气、阻燃和包装材料等方面有应用前景。通过原位合成,在纤维素气凝胶基底上制备出TiO2/纤维素气凝胶。实验结果证明纳米级尺度的TiO2纳米颗粒均匀分散和固定在纤维素气凝胶中。尤其,在温和的温度下实现TiO2的晶型从无定形到锐钛矿的转变,由此突破了高温制备锐钛矿晶体的传统方法。通过重复制备次数,Ti02纳米颗粒的含量可以达到60wt%。由于大量TiO2纳米颗粒的存在,TiO2/纤维素气凝胶变为半透明,并且显示良好的韧性和优良力学强度。同时,该TiO2/纤维素气凝胶具有高效光催化降解甲基橙溶液和丙酮气体的催化功能,其归因于纳米效应。因此,这种Ti02/纤维素气凝胶的在催化和吸附领域具有应用前景。基于纤维素分子上-OH的还原性和H2O2的氧化能力以及纤维素凝胶网络结构提供的空腔,在纤维素基底上通过两步法原位合成并构建出Ag3PO4/纤维素复合物水凝胶。由不同硝酸银含量(0.05mol/L-0.4mol/L)制备的Ag3PO4纳米颗粒均都能均匀分散在纤维素水凝胶中。这些无机纳米粒子的平均直径随Ag3PO4含量的增加从3.1±2.7增加到11±4.5nm。尤其,该Ag3PO4纤维素纳米复合物凝胶能高效催化降解罗丹明B,并且Ag3PO4纳米颗粒越小,催化降解效率愈高。同时Ag3PO4/纤维素纳米复合物水凝胶显示出优良的力学性能和适度的热稳定性以及催化功能,因此这是一种可适用的便携式催化剂。这种材料在可见光光催化、水处理和太阳能转化的领域有潜在应用前景。基于Zn (NO3)2-6H2O乙醇溶液中微量的水可促进水合Zn离子生成,而环氧丙烷可用作质子抓捕剂导致水合Zn离子水解成Zn (OH)(H20)52+。借助纤维素凝胶的微纳多孔结构以及利用环氧丙烷蒸汽诱导硝酸锌溶胶-凝胶转变,在纤维素基体上成功构建出氧化锌(ZnO)晶粒。六亚甲基四胺在ZnO晶粒增长中主要提供分解的OH-,致使ZnO结晶,因此,它产生的OH-速率不同,则形成不同形状晶体。六亚甲基四胺/Zn (NO3)2·6H2O分别在水溶液和乙醇溶液中经水热反应制备氧化锌晶体阵列。当ZnO种子在水相增长时,它沿着(0001)方向生长形成棒状晶体,而且六亚甲基四胺以正常的速度提供OH-离子。然而,当ZnO种子在乙醇相(含微量结晶水)增长时,六亚甲基四胺的分解速率降低,导致ZnO纳米棒聚集体,从而生长成金针菇状晶体。由此,通过控制溶液中水含量和分解产生OH-的速率可以在纤维素基体上合成具有不同形状的ZnO晶体。这种复合材料具有良好的力学性能、热性能和紫外吸收性能以及优良的光催化降解Cr6+的功能,它在污水处理领域具有应用前景。本论文主要工作是利用纤维素在碱/尿素水体系低温溶解形成的透明溶液,直接由这种纤维素溶液构建出新一类塑料及其复合材料。同时,并阐明纤维素塑料和复合材料的结构和性能之间的关系。由此制得的新一类纤维素生物塑料、荧光物/纤维素复合塑料以及各种无机/纤维素杂化材料等具有不同功能,并显示出潜在应用前景。而且,它们都是环境友好的可生物降解塑料。因此,本学位论文具有明显创新性、科学价值以及应用前景。