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随着人类对环境污染和资源危机等问题的认识不断深入，天然高分子所具有的可再生、可降解等性质日益受到重视。废弃物的资源化与可再生资源的利用，是当代经济与社会发展的重大课题，也是对当代科学技术提出的新要求。木质素作为植物界中的第二位最丰富的天然高分子，具有可再生、可降解、无毒的特点，同时含有大量的活性官能基团。它不仅能够直接作为原料反应合成高分子材料，还可以作为填料和添加剂提高材料的性能和性价比。因此研究和开发利用木质素高分子材料已经成为目前的趋势，这不仅能够变废为宝，同时能够缓解石油资源造成的能源危机与非可降解高分子材料引起的环境污染，符合可持续发展战略。本论文的研究内容主要是分别用两种木质素的衍生物-硝化木质素(NL)与木质素磺酸钙(LS)改性水性聚氨酯(WPU)材料，通过在水性聚氨酯的不同合成阶段加入计算量的木质素衍生物得到一系列不同的复合材料。
本论文的创新点在于：
(1)本论文成功的将NL改性聚氨酯(PU)体系的思路成功移植到环境友好型的WPU体系，同样得到同步增强增韧的NL改性WPU材料，在仅仅添加3.0wt％NL与水性聚氨酯复合后，得到的新材料的强度与断裂伸长率可以同时提高1.8倍。
(2)直接用来源易得的工业木质素—LS替代需要化学改性的NL复合WPU，简化了工艺过程，同时也得到同步增强增韧的材料，仅仅添加1.5wt％LS与水性聚氨酯复合后，得到的新材料的强度与断裂伸长率同步提高。扩大了LS的用途，丰富了星形网络结构中心思路的研究内容。
(3)通过以上两种体系的研究，认识了星形网络结构的重大作用，同时从木质素的多级结构的角度认识了材料结构与性能的关系。
本论文主要研究内容如下：
1.通过不同的复合方式和改变NL含量得到硝化木质素改性水性聚氨酯材料，材料的结构与性能由红外光谱(IR)、差示扫描量热分析(DSC)、动态力学热分析(DMA)和拉伸测试表征材料的结构与性能。NL与聚氨酯预聚物之间的反应形成以木质素为核心的星形网络结构，导致材料的强度与断裂伸长率同步增强。当NL含量为3.0wt％时，使得到的硝化木质素复合水性聚氨酯材料具有最佳的力学性能，如它的理论强度与断裂伸长率是纯的水性聚氨酯的1.8倍。尤其值得注意的是，它的真实强度为71.3MPa，与纯的水性聚氨酯相比提高了3.6倍。在这里，同步增强增韧主要归功于刚性的NL核心通过它形成的致密网络结构和聚氨酯链段间的缠绕交联分散了高拉力。然而过量的硝化木质素的加入和低的接枝几率使的材料中NL自聚集形成超分子微区，导致星形网络结构的破坏或缺失。因此，强度和伸长率下降，但是刚性的超分子微区增加了材料的模量。
2.将LS加入水性聚氨酯体系得到力学性能增强的新材料。同时，LS与水性聚氨酯通过化学接枝或物理作用形成以LS或其超分子微区为中心的星形网络结构。尤其是，当LS的含量为1.5wt％时，LS改性水性聚氨酯复合材料的强度与断裂伸长率同步增强。这时，星形网络结构的中心为单个球形LS分子。随后，随LS含量的增加，复合材料的强度逐渐增加直至LS含量为6.0-7.5wt％，而断裂伸长率逐渐下降。因为LS趋向于自发聚集为超分子微区，星形网络结构的中心逐渐被LS超分子微区替代。IR、DSC、DMA与力拉伸测试表征了复合体系的结构变化，结果表明LS组分主要与水性聚氨酯的硬段相结合，依靠硬段与LS之间的强制的化学接枝和相似的亲水性驱动而形成氢键作用。
3.基于硝化木质素与木质素磺酸钙改性水性聚氨酯材料的性能变化，建立了星形网络结构的模型形象表征结构与性能之间的关系，当星形网络接枝点的密度与数量达到最优时，如NL复合水性聚氨酯时，在扩链阶段加入3.0wt％的NL得到的复合材料具有最优的力学性能。这时网络结构的中心主要为单个的球形木质素衍生物分子。当木质素衍生物过量时，材料中的活性异氰酸酯基团有限，木质素衍生物分子自发聚集为超分子微区与聚氨酯链段通过化学接枝或物理作用形成星形网络结构，这时的网络结构的核心被超分子微区替代，刚性的超分子微区的形成增加了材料的强度，却不利于链段的伸展和破坏了组分间的相容性，从而导致材料的伸长率下降。
这些研究成果探讨了木质素改性材料的多级结构对性能的影响的机理，具有重要的学术价值，为改性材料提供了新思路，而且为开发和利用木质素提供了新途径与科学依据，具有广阔的应用前景，符合国家环保政策与可持续发展战略。