DOI: 10.1007/s42765-023-00273-9

气凝胶在隔热、环境保护、液体分离、电磁屏蔽等诸多领域均引起了广泛关注。然而，开发可再生且可回收的气凝胶，特别是合成聚合物基气凝胶，仍然是一个巨大的挑战，这严重阻碍了气凝胶的实际应用。在此，利用Kevlar纳米纤维（KNFs）作为代表性合成聚合物构建模块，提出了一种失稳动态平衡（DDB）策略，以制备具有高再加工一致性的可回收气凝胶。更具体地说，引入非质子酯（例如，二碳酸二叔丁酯，DiBoc）和碱（例如，叔丁醇钾，t-BuOK），以触发KNFs的去质子化-质子化之间的失稳动态平衡，从而导致可逆的溶胶-凝胶转变。同时，溶胶-凝胶转变（即凝胶化）持续时间可从10-2调整至103分钟，与多种加工方法兼容，如静模铸造、动态湿法纺丝、动态刮刀涂布和动态3D打印。这些独特的优势使制备具有低密度（33-165mg/cm³）、高压缩模量（高达52MPa）、高比表面积（360-404m²/g）和低热导率（0.027-0.050W/m·K）的各种KNF气凝胶产品（即连续纤维、连续薄膜、大尺寸单片和3D打印制品）成为可能。值得注意的是，这些性能与之前报道的KNF气凝胶相当或更优，并且远远超过可回收气凝胶。与直接用原材料制造相比，当产品由回收气凝胶和湿凝胶制成时，DDB策略分别将成本降低了50.5%和82.5%。这种成本降低随着循环次数的增加而进一步增加，当循环次数为5时每千克KNF气凝胶可节省275美元。总体而言，这项工作开发了能够可回收和再利用的独特KNF气凝胶，并提供了一种用于设计更多可回收气凝胶的新型策略。

图1.失稳动态平衡过程的表征。a）加入DiBoc和KOH后KNF溶液的照片。b）Kevlar纳米纤维i）以及添加DiBoc（ii）和KOH（iii）后的TEM图像。c）加入DiBoc前后KNF分散体的Zeta电位。d）DiBoc、KNF在KOH d6-DMSO溶液和KNF-DiBoc混合物中的1H NMR。e）Kevlar纤维、干燥的KNF-DiBoc沉淀和用水KNF-DiBoc-w洗涤的沉淀的XRD图谱。f）Kevlar纤维、KNF和KNF-DiBoc的红外光谱。g）DDB过程的机理图

图2.溶胶-凝胶转变行为的表征和凝胶化时间的影响因素。a）加入DiBoc后KNF分散体的溶胶-凝胶转变照片。b）溶胶-凝胶转变过程中的透射率变化。c）凝胶化过程中的储能模量（G’）、损耗模量（G”）和表观粘度（η*）。d）通过管反转法测量凝胶化时间与温度之间的关系以及凝胶化时间；e）凝胶时间与DiBoc与t-BuOK的摩尔比之间的关系；f）凝胶化时间与水含量之间的关系；g）凝胶化时间和酯类型之间的关系。h）通过控制各种影响因素，实现宽凝胶化时间调节。i）本工作与之前报道（溶胶-凝胶（质子溶剂）、化学交联、物理交联、冷冻法）的KNF凝胶化时间的比较

图3.多维气凝胶的表征和性能。a）KNF有机凝胶，包括由湿法纺丝、刮刀涂布、3D打印和模具铸造制备的纤维（i）、薄膜（ii）、3D打印结构（iii）和整体（iv）。b）对相应有机凝胶进行ScCO₂干燥获得的多维气凝胶。c）大尺寸KNF气凝胶：（i）尺寸为13.5×12.5×1.0cm的长方体气凝胶；（ii）8块尺寸为13.5×12.5×1.0cm的气凝胶片。轻质KNF气凝胶：（iii）ii中的8块气凝胶片仅重37.3g；（iv）叶片上的33mg/cm³整料。d）气凝胶整体内部网络纳米结构的SEM图像。e）KNF气凝胶的氮气吸附-解吸等温线。f）不同密度气凝胶的BET表面积。g）不同密度ANF气凝胶块的应力-应变曲线。h）在高温（200℃）下，厚度为0.6cm、密度为43mg/mL的ANF气凝胶块的隔热性能。i）低温下厚度为0.6cm、密度为43mg/mL的ANF气凝胶块的隔热性能

图4.KNF有机凝胶和气凝胶的表征和可回收性。a）1.0wt%KNF分散体的多重可逆溶胶-凝胶转变。b）KNF有机凝胶的再加工，比例尺：1cm。c）KNF有机凝胶的拼接，比例尺：0.5cm。d）破碎气凝胶的可修复性，比例尺：2cm。e）KNF气凝胶的再分散，比例尺：0.5cm。f）KNF分散体、有机凝胶和气凝胶之间的循环过程图解。g）雷达图显示了不同可回收气凝胶之间的比较，包括KNF气凝胶、PVA基气凝胶、动态共价聚合物气凝胶、壳聚糖基气凝胶和纤维素纳米纤维/碳纳米管气凝胶。h）在5个循环期间，2.0wt%回收KNF气凝胶的热导率、比表面积和弹性模量。i）使用可回收KNF凝胶或气凝胶作为制造KNF气凝胶的起始材料以节省成本