木质素是储量丰富的生物大分子之一,约占地表30%的总有机碳。在制浆造纸和生物乙醇炼制工业中,大量的木质素成为废弃物,只有不到2%被回收利用,因此对其进行回收及高值化利用对环境保护具有重要的意义。木质素/无机复合颗粒兼具了无机颗粒的稳定性、刚性、特殊的光电性质和木质素分子来源广、价格低廉、绿色环保等优点,是工业木质素资源高值化利用的重要途径之一。但是目前所制备的木质素/无机颗粒复合物存在尺寸大、产物团聚严重、木质素负载量低等问题,使其在高分子功能材料领域的应用受到限制。本文首先采用季胺化反应合成木质素季铵盐(LQAs),然后将制备的木质素季铵盐作为改性剂用于ZnO、TiO2颗粒的表面改性与分散,采用直接沉淀法、水热法及溶胶凝胶法制备分散性良好、粒径小于400 nm的LQAs/ZnO复合颗粒及粒径小于200 nm的LQAs/TiO2复合颗粒,最后采用SEM、TEM、XRD、BET、FT-IR、XPS、TG-DSC等技术手段对复合颗粒的微观形貌及理化性质进行表征,并提出复合颗粒形成机理和结构模型。除此之外,将制备的复合颗粒与水性聚氨酯(WPU)共混获得复合薄膜,并对其微观形貌、力学、热学、紫外屏蔽性能和抗紫外光老化等应用性能进行表征,同时提出了复合颗粒与WPU相互作用模型,揭示了复合颗粒增强WPU应用性能的机理。主要结论如下:(1)通过沉淀法制备木质素含量为20~30 wt%的木质素/ZnO复合颗粒,随着木质素含量的增加,复合颗粒微观形貌由片状向花状转变。复合颗粒由LQAs与Zn O形成的杂化结构,二者之间的相互作用力主要是氢键、静电和阳离子-π相互作用,其中ZnO颗粒为典型纤锌矿晶型。木质素负载量达30 wt%的LQAs/ZnO-4复合颗粒的平均粒径为254.8 nm,BET比表面积为128.0 m2/g。其禁带宽度Eg为3.20 eV,具有良好的紫外光吸收性能和光响应性。将0.6wt%的复合颗粒与WPU共混制备的复合薄膜的紫外防护因子为38.4,断裂拉伸强度为31.76 MPa;断裂伸长率为414.8%;快速热分解温度为397.1°C;经过192 h紫外光老化测试后,断裂拉伸强度保持在25 MPa以上,断裂伸长率保持在360%以上。(2)通过水热法制备木质量含量为10~20 wt%的木质素/ZnO球状的复合颗粒,复合颗粒是由LQAs与ZnO通过Zn-O-C共价键形成的有机杂化结,其中ZnO颗粒为典型的纤锌矿晶型。木质素负载量达20 wt%的LQAs/ZnO-C复合颗粒的平均粒径为182.5nm,BET比表面积为79.1 m2/g。其禁带宽度Eg为3.13 eV,具有良好的紫外光吸收性能和光光响应性。将6 wt%的复合颗粒与WPU共混获得的复合薄膜的紫外防护因子为34.7,断裂拉伸强度为30.76 MPa,断裂伸长率为622.1%,快速热分解温度为410.0°C,经过192 h紫外光老化测试后,断裂拉伸强度保持在25 MPa以上,断裂伸长率保持在550%以上。(3)通过溶胶凝胶法制备木质素含量为32~35 wt%的木质素/TiO2复合颗粒,复合颗粒是由LQAs与TiO2通过Ti-O-C键形成的有机杂化结构,其中TiO2颗粒为典型的锐钛矿晶型。木质素负载量达35 wt%的LQAs-60/TiO2复合颗粒的平均粒径为184.5 nm,BET比表面积为321.4 m2/g。其禁带宽度Eg为3.13 eV,具有良好的紫外光吸收性能和光响应性。将6 wt%的复合颗粒与WPU共混获得的复合薄膜的断裂拉伸强度为14.10MPa,断裂伸长率为1066.4%,快速热分解温度为423.1°C。经过192 h紫外光老化测试后,断裂拉伸强度保持在8 MPa以上,断裂伸长率保持在800%以上;(4)机理研究表明,复合颗粒中木质素的羟基(-OH)官能团与WPU中的氨基(-NH)官能团间存在氢键相互作用,作用力使WPU分子中的无序的“软段”分子链向有序的“硬段”分子链发生转变,从而提高了复合薄膜的力学性能和热稳定性;同时,复合颗粒中的木质素能够起到抗老化牺牲剂的作用,延缓了复合薄膜紫外光降解过程。