由于纤维素及其纳米级衍生物已成为众多领域中的基础工程材料，因此对纤维素纳米材料（CNMs）的物理化学特性进行了广泛研究，以适应各种应用需求（Hanieh等人，2017；Hashemzehi等人，2022）。CNMs因其出色的机械、光学和流变学性能而被广泛利用，它们具有极高的长径比（长度/直径）和比表面积等关键特性。在CNMs中，2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基（TEMPO）氧化纤维素纳米纤维（TOCNFs）是最受欢迎的一种，因为自由基催化的预处理在其主链上引入了羧基，使得纳米纤维化过程所需的能量更低，并为纳米纤维提供了额外的性能（Isogai等人，2011）。此外，TOCNFs即使在非常低的一致性下也能保持大量的水分，形成极其稳定的凝胶（Hubbe等人，2017），这得益于纳米纤维的缠结（Nordenstr?m等人，2017）及其表面电荷（Solhi等人，2023）。
在应用方面，TOCNFs特别用作高强度材料及纸张的纳米填料和增强剂，并已在食品工业中探索其作为涂层剂的应用，用于制备多功能、生物基甚至透明的涂层和薄膜（Antony等人，2023；De Santis等人，2025；Dufresne，2012；Hanieh等人，2017；Hashemzehi等人，2022；Tarrés等人，2016）。此外，它们的透明性也被广泛用于光学和电子设备以及生物医学领域（Bettotti & Scarpa，2022；Gorur等人，2020；Soni等人，2016）。此外，TOCNFs还单独使用或与其他材料结合用于制备具有复杂内部纳米结构的水凝胶（Rossetti等人，2023；Safavi-Mirmahalleh等人，2020）和气凝胶（Ellebracht & Jones，2020；Riva等人，2020），其应用范围包括伤口愈合、药物输送、水修复和催化等。
TOCNFs的生产第一步是TEMPO氧化反应，这是一种广泛用于在纤维素纤维表面有效引入羧基的方法（Saito, Nishiyama, Putaux, Vignon和Isogai，2006；Saito等人，2009）。该方法基于TEMPO/NaBr/NaClO催化系统的协同作用，选择性地将伯醇氧化为b-葡萄糖吡喃环C6位置的羧基。反应过程中加入NaOH可维持pH值在10到11之间，这对催化剂的再生和反应效率至关重要（Isogai等人，2011；Saito & Isogai，2004）。选择TEMPO氧化的条件对纤维的化学性质有显著影响，如羧基含量、产率、结晶度等（Fujisawa等人，2011；Saito, Kimura, Nishiyama和Isogai，2007；Saito等人，2009；Shinoda等人，2012）。近年来，pH值、TEMPO浓度、NaClO和NaOH用量对纤维特性的影响已被深入研究（Hillscher等人，2024；Mazega等人，2023），以及它们对起始材料中的木聚糖/半纤维素含量的影响（Mazega等人，2025）。在制备TOCNFs的常用条件下，关于反应时间有两种选择：当pH值停止下降时立即淬火（Fujisawa等人，2011；Fukuzumi等人，2013；Signori-Iamin等人，2025；Tanaka等人，2014；Tarrés等人，2016），或者不立即淬火，让反应过夜进行（De Santis等人，2025；Jun等人，2019；Pierre等人，2017；Rossetti等人，2023）。多项研究表明这两种方法目前都很普遍，都能生产出适用于多种应用的纳米纤维，但目前尚无专门针对纤维流变学和特性的直接比较。
化学反应后，为了达到纳米尺度，还需要进行机械处理（Isogai等人，2011）。最常见的两种方法是超声处理（US）和高压均质化（HPH）（Signori-Iamin等人，2025；Varshney等人，2021），因为它们易于扩展且能生产出高质量的材料。超声处理依靠超声能量在水环境中产生微小气泡，这些气泡被液体分子吸收后破裂，产生大量热量和能量，促进氧化纤维素纤维的纤维化（Cheng等人，2010；Pradhan等人，2022）。另一方面，高压均质化利用伯努利原理破坏纤维素结构：当悬浮液通过高压均质化装置时，会在极高压下通过一个小孔，产生巨大的压力降和强烈的剪切力（Pradhan等人，2022；Signori-Iamin等人，2025）。
考虑到超声处理和高压均质化之间的差异以及它们对最终CNMs产品的影响，选择合适的机械处理方法对纳米物体的生产具有重要意义。Rahbar Shamskar等人（2019）强调了用超声处理或高压均质化处理的纤维素纳米晶体（CNCs）在结晶度、悬浮稳定性、颗粒电荷和热稳定性方面的差异。他们发现高压均质化处理的颗粒尺寸更小，但悬浮稳定性更好（Z电位更低），由此制备的气凝胶也具有更好的均匀性。Han等人（2019）也研究了机械处理对阳离子纳米纤维素生产的影响，同样认为高压均质化处理的纳米纤维更细。
在TOCNFs的制备和利用方面，这些发现不仅揭示了超声处理和高压均质化机制的差异，还指出了所得TOCNFs特性的不同：高压均质化处理的纤维更短、缠结更紧密，长径比更高，悬浮稳定性更强。实际上，高压均质化处理的TOCNFs形成的凝胶能够在不破坏的情况下保持大量水分，这得益于其大量的表面电荷。然而，高压均质化通常是一种更剧烈的机械处理，生成的纤维聚合度较低（DP值较低）。此外，如上所述，暴露的表面电荷并不是这些纤维应用多样性的唯一决定因素，因此不能简单认为某种机械处理优于另一种。实际上，其他因素如纳米纤维在其他聚合物网络中的渗透性、缠结程度和纤维间的连接性对高性能材料的发展也至关重要。因此，化学处理和机械处理之间的联系、它们的组合及其对纤维结构和性能的综合影响是理解CNMs行为的重要研究方向。
鉴于TOCNFs的应用领域非常广泛，必须强调这种材料的每种用途都与其物理化学和流变学性质密切相关，而这些性质很大程度上取决于获得TOCNFs所采用的方法。表1展示了TOCNFs的一些可能应用，包括相应的反应时间和机械处理方式，以及使用时的纤维一致性。表1还提供了有关反应条件（pH值、NaClO用量）和目标羧基含量（CC）的详细信息。此外，表1还证实了常用的达到纳米尺度的机械处理方法是超声处理（US）和高压均质化（HPH），并且通常在长时间化学反应后或用于非常低一致性的应用时使用超声处理，因为相对于高压均质化，超声处理是一种较温和的机械处理。最后，表1还说明了最终产品可以单独使用或与其他生物和非生物聚合物结合使用，并且可以在广泛的悬浮浓度范围内使用。
因此，本研究旨在深入分析化学机械处理如何影响TOCNFs的形态和网络形成能力，通过对不同方法获得的纳米纤维的化学、结构和流变行为进行基础研究。我们采用TEMPO氧化方法在纤维素主链上引入羧基，这种方法对纤维的影响较小（与以往的研究相比，Gallo Stampino等人，2021；Li等人，2013），并选择了不同的TOCNFs生产过程来观察它们对最终产品的影响。这种方法使我们能够明确纤维的结构与性能之间的关系。此外，TOCNFs生产的每个步骤都不是单独评估的，而是与其他步骤结合进行分析。实际上，对所选条件组合的具体研究有助于根据所需的最终应用预测TOCNFs的生产结果。
