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以生物质代替合成类聚合物制备可在化工、材料、生物等方面应用的复合材料或功能材料是未来发展的趋势。纤维素和明胶均属于天然大分子,具有来源广泛、生物相容性好、可降解、可再生等众多优势。其中纤维素是植物中最丰富的生物质聚多糖,结构上的高含量羟基使其制成的材料展现高的机械强度。明胶是动物中最丰富的胶原蛋白水解产物,其结构中存在的羧基、氨基和亚氨基赋予其优良的亲水性和水蒸汽透过性。然而,纤维素分子内及分子间强烈的氢键网状结构和高度结晶的聚集态构象,纤维素难溶于水成为阻碍纤维素/明胶功能材料发展的难题。通过相分离技术获得的纤维素/蛋白质复合膜存在结构不可控、透明度低,且成膜易皱缩造成以此为基体进行荧光功能化修饰时荧光分子的易聚集和色差明显等问题。本课题利用明胶亲水性强的特点,以交联共聚方式将水合能力强的明胶分子键接到纤维素葡萄糖链上,制备了具有高长径比的晶须状纤维素/明胶交联聚合物微凝胶。进一步对交联聚合物烷基化修饰结合自组装技术获得了粒径、形貌可控的微凝胶,实现了微凝胶尺寸和形貌从纳米级到微米级的可控生长和精确调控。研究了微凝胶分子间的元素组成、化学键合状态、分子链构象及形成机理。分析了微凝胶粒子的长径比和形状与成膜微观结构及性能特征的相关性。此外,将获得的具有晶须状和中空球状形貌的纤维素交联明胶微凝胶作为有机、无机荧光分子的负载基体,研究了它们作为荧光分子载体形成高透亮、强耐水及荧光可调的光致发光纤维素/明胶交联聚合物微凝胶膜及涂层材料的可行性。主要开展了以下6个方面的工作:(1)在NaOH/尿素水体系中,以环氧氯丙烷(ECH)为交联剂,通过均相混合、交联、透析和自分散途径制备了晶须状纤维素交联明胶(CGM)微凝胶。通过控制ECH与纤维素葡萄糖单元的摩尔比不小于2:1,明胶的掺入量Wgel≥20%,就可得到产率高达48.6%的CGM微凝胶。元素分析、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和凝胶渗透色谱(GPC)为纤维素与明胶的分子内及分子间交联作用提供了证据,且交联聚合物的重均分子量达到636.60 kDa,具有较低的多分散性系数(PDI=1.105)。X-射线衍射(XRD)证实纤维素与明胶交联后其晶型结构被破坏,伴随较大的非晶型区。动态光散射(DLS)发现CGM微凝胶的Z-平均粒径为83～165 nm,随蛋白含量的增加而减小,且微凝胶在水中具有良好的分散性和稳定性。扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)证实CGM微凝胶呈现出单分散分布、粒径均匀且长径比在12～19之间的晶须状形貌。(2)用不同链长的溴代烷基修饰CGM微凝胶制备了新型的两亲性纤维素共聚物(HCGM),采用自组装技术获得了粒径、形貌可控的纤维素交联明胶微凝胶。对HCGM共聚物自组装行为研究发现,当烷基链长度由C8变为C16时,自组装微凝胶的临界胶束浓度在0.628～0.075 mg/mL之间,随取代度和烷基链长度的增加而降低,相应的水动力直径(Dh)增大,其Dh分布在104～1000 nm之间。碳链长度为12的CGD-1微凝胶浓度从0.1 mg/mL逐渐增加到10 mg/mL时,出现了单一囊泡状向双连续、三连续囊泡聚集体及囊泡团簇状的演变;碳链长度为16的CGC-1微凝胶浓度从0.1 mg/mL增加到5.0 mg/mL时,其形貌从棒状转变为花瓣状、花瓣簇状聚集体。当烷基链长度较短时(C8),随取代度从0.32增加到0.50,可自组装成棉絮状、棒状和球状;当烷基链长度稍长时(C12),随取代度从0.35增加到0.51时,可获得囊泡状、珊瑚状和海胆状微凝胶;当烷基链长度达到C16时,随取代度从0.31增加到0.44时,可得到花瓣状、雪花状和球状微凝胶。(3)通过核磁共振氢谱(1HNMR)、拉曼光谱(Raman)、X-射线光电子能谱(XPS)和XRD分析了纤维素交联明胶微凝胶分子间的原子化学键合状态和晶型结构,发现明胶分子通过C-O-C和C-N-C键发生在纤维素葡萄糖单元的C2和C3位上,并将纤维素的结晶度从80.5%降低到6.19%,此外长链烷驻也以C-O-C和C-N-C形式键接到纤维素葡萄糖单元C6位剩余的羟基和明胶的亚氨基结构上。采用静态光散射(SLS)和动态光散射(DLS)测量出微凝胶的二维利系数(A2)在4.5×10-3～5.4×10-3mol mL/g之间,其中,具有晶须状CGM微凝胶的结构因子(ρ)、持续长度(q)、单位围长摩尔质量(ML)和特征比(C∞)分别为2.2、11.6 nm、601.0 nm-1和23.6,由此证实CGM在水溶液中呈现伸展的刚性链,且交联反应在纤维素分子内产生了空间位阻效应。不同取代度、不同烷基链长的自组装微凝胶的分子链构象参数(ρ、q、ML和C∞)与SEM、TEM和AFM观察到的微凝胶形貌一致。基于上述分析,提出了可控型纤维素/明胶交联聚合物微凝胶的形成机理。(4)与相分离法制备的纤维素/蛋白质复合膜相比,具有晶须状的CGM微凝胶通过溶液浇铸法成膜呈现更均匀的表面和更紧密的截面结构,在400 nm处透光率高达88%以上。其中,长径比大于16.2的CGM膜呈现较低的溶胀行为和更强的耐水性,在干、湿两种状态下的拉伸强度均高于水溶性纤维素衍生物/蛋白质复合膜。而低的长径比(AR<13.2)可提升水蒸汽分子在CGM微凝胶膜的表面吸附和内部传递。不同形状微凝胶粒子形成的膜水蒸气透过率比晶须状CGM膜明显降低,其中,具有珊瑚状、海胆状、花瓣状和雪花状的微凝胶膜呈现较低的光学透光率。但多种粒子形状的微凝胶膜展现出高的柔韧性及强的水中稳定性,并通过耐水性参数得到证实。(5)将有机荧光染料和无机碱土铝酸盐颜料分别负载到晶须状CGM微凝胶基体上制备了高透亮、可降解荧光膜。得益于CGM微凝胶基体的交联位点和网状结构以及结构中丰富的羟基、氨基和亚氨基基团,负载有机染料和无机颜料的纤维素微凝胶水溶液显示了良好的分散性和稳定性,形成的复合膜在365 nm紫外光刺激下分别发出明亮的黄色、橙色、黄绿和蓝绿色荧光特性,特别是纤维素基微凝胶稳定的无机碱土铝酸盐杂化膜在黑暗中表现出至少超过10 h的持续发光,并揭示了其光致变色机制和长余辉机理。制备的CGM微凝胶荧光分散体能够涂覆在金属和玻璃表面赋予它们可书写性。此外,所得荧光膜具有优异的光学稳定性、高的热稳定性、强的耐有机溶剂性及可折叠和易卷绕特性。与现有纤维素基荧光膜相比,制备的CGM微凝胶基荧光膜具有更高的透光性(Tr650nm≥9 1%),且能完全生物降解。(6)将疏水荧光染料异硫氰酸荧光素(FITC)包覆到中空纤维素基微凝胶的空腔内获得了一系列强耐水且荧光可调的柔性高分子发光膜。TEM和SEM证实了具有中空结构的纤维素基微凝胶的形成。DLS、AFM、紫外吸收光谱为FITC荧光染料在中空纤维素基微凝胶的成功封装提供了依据。得益于纤维素基高分子链的“锚定”和“稀释”效应以及中空外壳的隔离作用,有效抑制了 FITC发光体的聚集和自猝灭并防止其脱落,使不同包覆量的微凝胶膜在365 nm紫外光刺激下均显示出绿色荧光且荧光强度可控。此外,所得荧光膜显示了较强的紫外光吸收能力、优异的光学稳定性及可折叠和易卷绕特性。与晶须状CGM基荧光膜相比,获得的中空发光膜在水中显示更强的稳定性。由于中空纤维素基荧光微凝胶的高稳定和易成形能力,荧光微凝胶可加工成易于使用、经久耐用、用途广泛的涂层材料,在发光器件、智能标签、防伪材料、抗紫外涂层等领域有潜在的应用价值。