一种光吸收器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种光吸收器及其制备方法，其制备方法包括：S1.以芳纶为原料，制备芳纶纳米纤维溶液；S2.制备金属纳米颗粒溶液；S3.将步骤S1制备的芳纶纳米纤维溶液和步骤S2制备的金属纳米颗粒溶液混合制备混合溶液；S4.将步骤S3制备的混合溶液，去除溶剂得到纳米复合薄膜光吸收器；所述光吸收器以芳纶纳米纤维为基质，金属纳米颗粒负载在所述芳纶纳米纤维基质上。该光吸收器具备超柔性，具有足够和持久的机械强度，并有利于在可穿戴和非平面光热器件中得到广泛应用；在可见光和近红外频率上可以实现高效、全角度、宽波段光吸收；制备方法简单高效，易于规模化。

A light absorber and its preparation method

The invention discloses an optical absorber and a preparation method thereof. The preparation methods include: S1. aramid nanofibers solution is prepared from aramid fibers; S2. metal nanoparticles solution is prepared; S3. aramid nanofibers solution is prepared by mixing aramid nanofibers solution and metal nanoparticles solution prepared by The nanocomposite film optical absorber is based on aramid nanofibers and metal nanoparticles are loaded on the aramid nanofibers. The optical absorber has super flexibility, sufficient and durable mechanical strength, and is conducive to being widely used in wearable and non-planar photothermal devices. It can achieve high-efficiency, full-angle and wide-band optical absorption at visible and near-infrared frequencies. The preparation method is simple, efficient and easy to scale.

【技术实现步骤摘要】
一种光吸收器及其制备方法
本专利技术涉及复合材料
，尤其涉及一种光吸收器及其制备方法。
技术介绍
理想的光吸收器对光具有全方位(全角度)的高吸收效率一直是科学技术的主要目标。近年来，基于超材料的光吸收器(如等离子体光吸收器)在许多领域得到了广泛的研究和开发，超材料是由亚波长单元阵列构成的人工结构材料，具有优异的电磁性能。超材料吸波材料一般可分为窄带吸波材料和宽带吸波材料。窄带超材料吸收器总是依赖于与特定频率的光相互作用的结构的共振效应。相比之下，宽带超材料吸收器依赖于其电磁响应与频率无关的结构，因此可以在大带宽上吸收光。因此，宽带超材料吸收器对于广泛的光子应用非常有吸引力，例如太阳能-热能收集、用于全光谱成像和光电检测的传感器平台。基于超材料的宽带光吸收器的实现已经取得了巨大进展。例如，具有双曲空间色散的纳米图案化各向异性超材料已经被证明在可见和近红外频率下具有有效的光学吸收。由贵金属涂覆的纳米多孔模板制成的超材料也表现出优异的宽带吸收性能。此外，诸如氮化钛和二氧化钒的耐火材料最近被用于构造纳米结构宽带超材料吸收器。然而，仍然有一些限制阻碍了这些超材料吸收器的实际应用。首先，纳米结构超材料吸收器通常通过自上而下的纳米制造方法来制造，例如电子束光刻(EBL)和聚焦离子束(FIB)铣削，这固有地限制了吸收器的最大物理尺寸和生产量。第二，大部分宽带超材料吸波材料都是在刚性衬底上制备的，如玻璃和硅片。这使得这些器件缺乏灵活性，并且很大程度上限制了它们在具有非平面表面的可穿戴和其它光电系统中的应用。虽然已经在太赫兹和光学频率下进行了一些实验尝试，并已成功在柔性衬底上实现了超材料的制备，但是周期性超材料结构的强度和应变不如柔性衬底，这降低了器件的整体机械性能。因此，利用大面积、高通量的自下而上技术来制备具有高性能、全角度和宽带光吸收的柔性膜仍然具有挑战性。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提出一种光吸收器及其制备方法，该光吸收器具备超柔性，在可见光和近红外频率上可以实现高效、全角度、宽波段光吸收；制备方法简单高效，易于规模化。本专利技术提供的光吸收器的制备方法，包括：S1.以芳纶为原料，制备芳纶纳米纤维溶液；S2.制备金属纳米颗粒溶液；S3.将步骤S1制备的芳纶纳米纤维溶液和步骤S2制备的金属纳米颗粒溶液混合制备混合溶液；S4.将步骤S3制备的混合溶液，去除溶剂得到纳米复合薄膜光吸收器；所述光吸收器以芳纶纳米纤维为基质，金属纳米颗粒负载在所述芳纶纳米纤维基质上。优选地，所述芳纶包括杜邦公司的Kevlar，所述金属纳米颗粒包括金纳米颗粒、银纳米颗粒、铜纳米颗粒中的一种或多种，所述纳米复合薄膜中金属纳米颗粒含量为2.8％以上。优选地，所述步骤S1包括：S11.将芳纶真空干燥后浸泡在溶液中进行纤维化，然后捞出清洗并真空干燥得纤维化芳纶；S12.将步骤S11得到的纤维化芳纶与碱以及溶剂混合均匀搅拌，待溶液由无色变为紫红色油状溶液后，加入处理剂，得到芳纶纳米纤维溶液。进一步优选，所述步骤S11中的芳纶纤维化前的真空干燥条件为：60-65℃，干燥18h–24h；纤维化后的真空干燥条件为60℃-70℃，干燥48h。所述步骤S12中的碱为氢氧化钾，且氢氧化钾与芳纶的质量比为1:1–2:1；所述溶剂为N,N-二甲基亚砜；所述处理剂为磷酸和水的混合溶液。更进一步优选，所述磷酸和水的体积比为1:2-2:1；所述处理剂的体积占混合溶液总体积的百分比为1.0％-10％。优选地，所述步骤S4包括：将步骤S3制备的混合溶液通过抽滤的方式得到纳米复合薄膜光吸收器。本专利技术还提供一种光吸收器，包括：芳纶纳米纤维基质，以及负载在所述芳纶纳米纤维基质上的金属纳米颗粒。优选地，所述芳纶包括杜邦公司的Kevlar；所述金属纳米颗粒包括金纳米颗粒、银纳米颗粒、铜纳米颗粒中的一种或多种；所述光吸收器中金属纳米颗粒含量为2.8％以上。本专利技术的有益效果：1.本专利技术选择芳纶为原料，并制备出芳纶纳米纤维(ANFs)作为基质，因芳纶纳米纤维基质优异的机械强度(抗拉、抗弯曲等性能高)，从而使得薄膜光吸收器拥有超柔性，具有足够和持久的机械强度，并有利于在可穿戴和非平面光热器件中得到广泛应用。2.区别于现有技术中采用自上而下的制备方法，本专利技术将芳纶纳米纤维溶液和金属纳米颗粒溶液进行混合，除去溶剂后得到纳米复合薄膜光吸收器，该方法成本低且易于放大。同时，该方法制备出来的纳米复合薄膜光吸收器，芳纶纳米纤维自组装并形成多孔三维基质，金属纳米颗粒负载在纳米纤维上和纳米纤维之间。薄膜中掺杂的金属纳米颗粒的含量和直径被优化，高分散的金属纳米颗粒因其局域表面等离子体共振效应实现了卓越的宽带、高效、全向光吸收；相较于现有技术中的光吸收器，其单位平方的金属纳米颗粒大大减少，更进一步降低了光吸收器的成本。3.基于芳纶纳米纤维优异的化学/热稳定性，即使在高效光吸收和光热转换作用下薄膜表面温度急剧升高，光吸收器也不会燃烧或变形，高温下仍然能够保持其物理性能和功能稳定。附图说明图1为本专利技术实施例中光吸收器(PMF)具体制备流程示意图。图2为本专利技术实施例中芳纶线的纤维化示意图。图3为本专利技术实施例中芳纶纤维的纳米化示意图。图4为本专利技术实施例中不同处理剂处理后得到的芳纶纳米纤维扫描电镜图。图5为本专利技术实施例中金种生长法制备的不同粒径的金纳米颗粒及其透射电镜图，其粒径分布a-b：20nm，30nm，40nm，60nm，80nm，110nm。图6为本专利技术实施例中利用抽滤法制备的不同金含量PMF实物图，a-h金含量分别为：0，1.4％，2.8％，4.3％，5.7％，7.1％，8.6％，9.9％。图7为本专利技术实施例的超柔性等离子体光吸收器中金纳米颗粒粒径不同时(A)，金纳米颗粒(粒径为58nm)含量不同时(B)以及入射角不同(C)时对吸收的影响。图8为本专利技术实施例中超柔性等离子体光吸收器的扫描电镜图及其表面形貌。图9为本专利技术实施例中超柔性等离子体光吸收器的柔韧性测试(A)，弯折性能测试(B)及其杨氏模量性能测试(C)。图10为本专利技术实施例中超柔性等离子体光吸收器光热性能的研究。具体实施方式本专利技术提供的如下的具体实施方案以及他们之间的所有可能的组合。出于简洁的目的，本申请没有逐一记载实施方案的各种具体组合方式，但应当认为本申请具体记载并公开了所述具体实施方案的所有可能的组合方式。本专利技术提供一种超柔性纳米复合薄膜光吸收器及其制备方法，包括如下步骤：S1.以芳纶为原料，制备芳纶纳米纤维溶液；S2.制备金属纳米颗粒溶液；S3.将步骤S1制备的芳纶纳米纤维溶液和步骤S2制备的金属纳米颗粒溶液混合制备混合溶液；S4.将步骤S3制备的混合溶液，去除溶剂并干燥得到纳米复合薄膜光吸收器；所述光吸收器以芳纶纳米纤维为基质，金属纳米颗粒负载在所述芳纶纳米纤维基质上。芳纶全称为聚苯二甲酰苯二胺，主要包括帝人公司生产的Twaron和杜邦公司生产的Kevlar，具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能。步骤S1中，芳纶依次经过纤维化和水解，形成纳米纤维。步骤S2中，金属纳米颗粒包括金纳米颗粒、银纳米颗粒、铜纳米颗粒中的一种或多种，其粒径为1nm-200nm，粒径分布为20nm–110nm。金属纳米颗粒的制备可以采用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光吸收器的制备方法，其特征在于，包括：S1.以芳纶为原料，制备芳纶纳米纤维溶液；S2.制备金属纳米颗粒溶液；S3.将步骤S1制备的芳纶纳米纤维溶液和步骤S2制备的金属纳米颗粒溶液混合制备混合溶液；S4.将步骤S3制备的混合溶液，去除溶剂得到纳米复合薄膜光吸收器；所述光吸收器以芳纶纳米纤维为基质，金属纳米颗粒负载在所述芳纶纳米纤维基质上。

【技术特征摘要】
1.一种光吸收器的制备方法，其特征在于，包括：S1.以芳纶为原料，制备芳纶纳米纤维溶液；S2.制备金属纳米颗粒溶液；S3.将步骤S1制备的芳纶纳米纤维溶液和步骤S2制备的金属纳米颗粒溶液混合制备混合溶液；S4.将步骤S3制备的混合溶液，去除溶剂得到纳米复合薄膜光吸收器；所述光吸收器以芳纶纳米纤维为基质，金属纳米颗粒负载在所述芳纶纳米纤维基质上。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述芳纶包括杜邦公司的Kevlar；所述金属纳米颗粒包括金纳米颗粒、银纳米颗粒、铜纳米颗粒中的一种或多种，所述纳米复合薄膜中金属纳米颗粒含量为2.8％以上。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1包括：S11.将芳纶真空干燥后浸泡在溶液中进行纤维化，然后捞出清洗并真空干燥得纤维化芳纶；S12.将步骤S11得到的纤维化芳纶与碱以及溶剂混合均匀搅拌，待溶液由无色变为紫红色油状溶液后，加入处理剂，得到芳纶纳米纤维溶液。4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S11中的芳纶纤维化前的真...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐挺，张辉，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32