Superhydrophobic coating based on polydopamine and silver nanoparticles with self-cleaning and photothermal deicing effects

Abstract

기계적 자극 하에서 도파민을 산화 중합시킴으로써 유리, 알루미늄 및 폴리카보네이트 기판에 나노수준의 거칠기를 갖는 두께 수십 나노 수준의 폴리도파민을 코팅할 수 있었다. 또한, 이렇게 형성된 폴리도파민 코팅층을 상온에서 aqueous AgNO3로 처리함으로써 폴리도파민 코팅층 위에 Ag 나노입자를 고정화시킬 수 있었다. 제조된 코팅표면은 EDS-SEM, AFM, XRD 등으로 분석하여 표면거칠기 및 Ag 나노입자 형성을 확인하였다. 이러한 폴리도파민 및 폴리도파민/Ag 나노입자 하이브리드 기반 코팅의 표면에너지를 낮추기 위하여 이들을 각각 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorodecanethiol 로 처리하였다. 불소기 도입은 FT-IR과 XPS을 통해 확인하였으며, 불소 개질된 표면의 물에 대한 젖음성을 물접촉각 분석을 통하여 확인하였다. 폴리도파민 코팅 표면에 불소기를 도입한 경우 물접촉각은 140° 정도이었으며, Ag 나노입자가 추가로 고정화된 표면에 불소기를 도입한 경우에는 물접촉각이 150°로 증가되어 초소수성을 나타내었다. 이는 자체적으로 거칠기를 갖는 폴리도파민 표면에 Ag 나노입자가 형성됨으로써 표면의 미세거칠기가 더욱 증가되고, 또한 Ag 나노입자 표면과 perfluorodecanethiol의 –SH기 간의 자발적 상호작용으로 인하여 표면에 불소기가 더 많이 도입되어 표면에너지를 효과적으로 낮출 수 있기 때문으로 판단되었다. 이와 같은 방법으로 표면거칠기와 낮은 표면에너지를 구현하여 발현되는 초소수성 표면은 우수한 자가세정효과를 보였으며, 또한, 폴리도파민 나노코팅 층의 존재로 인하여 근적외선 하에서 우수한 광열효과를 나타내었고 이를 이용하여 표면에 생성되는 얼음을 효과적으로 제거하는데 활용할 수 있음을 알 수 있었다.; Superhydrophobic surfaces with water contact angle larger than 150˚ and low sliding angles less than 10˚ have attracted significant attentions. In this study, superhydrophobic surfaces based on polydopamine (PDA) and silver nanoparticles followed by their fluorination were fabricated. The PDA coating with nanoscaled roughness could be deposited onto various substrate (glass, Al plate, polycarbonate) by oxidative polymerization of dopamine under dynamic conditions. Ag nanoparticles could be immobilized onto the PDA surfaces by treating it with aqueous AgNO3 at room temperature. The surface morphologies and formation of Ag nanoparticles of PDA coating and PDA/Ag hybrid coating were characterized by FE-SEM, EDS-SEM, and AFM. For the lowering of surface energy of the PDA and PDA/Ag hybrid coatings, they are treated with 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorodecanethiol. The fluoromodification was confirmed by FT-IR and XPS, and wettability of the fluoromodified coatings was evaluated by water contact angle (WCA) measurement. Fluoromodified PDA coating showed a WCA about 140° and fluoromodified PDA/Ag nanoparticle hybrid coating showed a WCA higher than 150°, thus superhyrophobic surfaces could be achieved. Presence of Ag nanoparticles onto the PDA coating surface can increase the surface roughness and facilitate the introduction of long fluorinated group onto the surface via specific interaction of Ag surface and thiol group of perfluorothiol. These results revealed that proper combination of PDA and Ag nanoparticles can provide an effective way to produce superhyrophobic surface. The obtained superhydrophobic coating exhibit excellent self-cleaning effect. Furthermore, photothermal effects can be observed due to the presence of nanostructured PDA layer, which can be applicable to effective removal of ice formed onto solid substrates in cold weather.