塑膠之紫外線老化與耐色牢度

紫外線老化透過光化學反應、氧化作用以及安定成分的分解，使聚合物、塗層與染料產生變化。加速測試能夠使材料差異顯現出來，但唯有在光譜、劑量、溫度、濕度與樣品幾何形狀皆符合所欲探討之問題時，才能可靠地代表真實的風化情形。本頁面說明老化機制、影響變因，以及短期照射之量測規劃。

紫外線輻射造成的老化

紫外線輻射會因光化學反應，導致以聚合物為基礎的材料及其他對光敏感的材料產生各種變化。典型的劣化機制包括日光褪色（solarization）、光致變色、光降解，以及由臭氧生成所引起的材料老化：

a) 日光褪色（Solarization）
日光褪色是指玻璃或塑膠等透明基材因紫外線誘發而產生穿透率下降的現象：色心與降解產物吸收光線，使材料變色並呈現混濁狀態。

b) 光致變色
光致變色描述的是熱塑性聚氨酯（TPU）、矽膠或聚碳酸酯等半透明塑膠之光譜變化。暴露於紫外線輻射下，會導致逐漸泛黃，或表面出現白堊狀變化（所謂的「粉化」），其成因為分子重組或添加劑之降解。

c) 光降解
光降解的特徵是聚合物網絡中分子鍵結的斷裂。這些過程會顯著降低抗拉強度，並導致機械性質與熱性質產生變化，嚴重損害材料的完整性。

d) 臭氧誘發氧化
臭氧可在紫外線輻射作用下，經由光解反應由大氣中的氧氣產生，是一種強氧化劑。它會加速氧化性老化過程，並造成脆化與龜裂，尤其常見於彈性體、密封件與聚合物基座蓋等元件。

短波輻射則是特殊情形：UVC 材料老化的進行速度較 UVA 更快，且僅發生於表層，因為其光子攜帶較高能量，並在最初的幾微米內即被吸收——這也是為何 UVC 消毒可能使某表面產生粉化，而數年的日照卻不會使其受損。

紫外線輻射會在塑膠的聚合物結構中引發光化學反應。所產生的材料劣化程度取決於輻射的強度與光譜組成。紡織品也受到與傳統塑膠類似的損傷機制影響。

以下考慮紫外線輻射照射下的這些效應：

聚合物主要由有機、共價鍵結的結構單元組成。主要的損傷機制為光解斷鏈。在此過程中，高能量光子透過直接吸收使聚合物主鏈斷裂。此外，聚合物複合體內的激發態也會導致自由基的形成。上述劣化過程主要侵蝶限於表面附近的層，通常不會深入材料內部超過 0.5 mm。儘管如此，因脆化程度增加而引起的應力集中，尤其在技術性成型件中，可能會引發結構性失效機制。

與較長波長相比，UV-C 輻射的能量最高，因此對聚合物材料的潛在損害程度也最大。由於地球大氣層的吸收作用，天然的 UV-C 輻射在地面上並不存在。工業應用亦僅限於特定用途。因此，關於材料在單獨 UV-C 曝露下老化行為的實驗數據相當有限。若技術裝置中使用了 UV-C 輻射，則可對其進行相應的測試。

紫外線輻射的類型

紫外線輻射依其光譜組成及其對材料造成的各種物理影響而有所區分。天然日光——即所謂的全天輻射——主要包含 UV-A 與 UV-B 輻射。UV-A（315–400 nm）與 UV-B（280–315 nm）雖存在於自由大氣中，但 UV-B 幾乎完全被一般窗玻璃所吸收。這意味著在室內只有部分減弱的 UV-A 輻射具有作用。

在受控的實驗室條件下，以提高的 UV-A 與 UV-B 輻照度進行測試，可模擬加速光化學老化。然而，這種加速老化無法用一個通用的換算係數來描述，因為它高度取決於材料種類、照射時間、波長、溫度與濕度。

在最佳條件下（晴朗天空、夏季陽光、45° 太陽高度角），地面上的最大全天輻照度約為 1000–1100 W/m²。其中 UV 成分約占 5–6 %（UV-A）與約 0.5–1 %（UV-B）。由此可得地面典型紫外線輻照度數值約為 62 W/m²（UV-A）與約 5.6 W/m²（UV-B）。

相比之下：BS-02 紫外線照射裝置根據所配備的燈管，可產生高達約 80 W/m² 的 UV-A 輻照度以及高達約 50 W/m² 的 UV-B 輻照度。因此其 UV-B 成分最高可達天然太陽輻射的九倍。假設每年全天輻射時間約為 1000 小時日照，使用 BS-02 裝置約 30 天即可達到相當於一年的 UVA 劑量。

在 UV-B 範圍內，這種高強度照射——依聚合物種類及其穩定化處理不同——可使老化加速係數達到最高 200 倍。然而，此類實驗室老化模擬的實際有效性，必須依材料與應用情況個別評估，並需要進行對照式照射。
 

紫外線老化範例

此圖以發光二極體為例，說明新品與老化電子元件之間的比較。左側顯示新元件，右側則為經過人工紫外線老化 350 小時後的樣品。此圖僅作為老化過程的示例說明。老化後的發光二極體出現泛黃與褪色現象。此外，褪色的保護塗層部分已出現裂紋並變得脆化。

人工老化測試中光源的差異特別值得關注。此處比較了 UVB-313 照射（下方）與經過濾氙燈的人工老化（上方）。UVB-313 照射的總劑量約為 70 MJ/m²，而經過濾氙燈的人工老化總劑量則約為 190 MJ/m²。

根據 [Schulz, Kurzzeitbewitterung, 2007]，採用螢光燈管的老化方法，其樣品會因紫外線照射而呈現逐漸增加的黃化現象。相對地，使用氙弧燈照射則會導致樣品產生更明顯的褪色。

這兩種方法的另一項差異在於樣品的溫度。使用螢光燈管時，樣品維持較低的溫度。這是因為其光譜僅限於紫外線範圍，使得樣品所接收到的輻照度僅約為氙燈裝置所產生輻照度的 6%。

下圖直接比較了兩片陽極處理鋁表面：左側為全新元件，右側為同型號的老化樣品。

經 UVB 與 UVA 老化後，老化元件出現明顯的光致變色（變色）。這種視覺變化是紫外線誘發老化過程的典型特徵，其中陽極處理層的色彩穩定性受到影響。造成此現象的原因可能包括有機色料的光化學分解，以及因長期暴露於紫外線輻射而導致氧化層產生的結構變化。

藥品的光穩定性測試遵循其自身特有的法規問題，詳情請參閱專業頁面 ICH Q1B。本頁面則專注於材料、塗層與色牢度。

此類測試於具有明確均勻度且以時間或劑量控制照射的遮蔽腔室中進行；相關設計及其與測試任務的對應關係，說明於 紫外線照射腔室 頁面。至於如何在樣品位置驗證所設定的劑量，則說明於 紫外線計與輻射計 頁面。

在實驗室中模擬太陽輻射需要多長時間？
這僅取決於輻照度的比值。在地表，太陽提供約 62 W/m² 的 UVA 及 5.6 W/m² 的 UVB；以每年約 1,000 小時日照計算，年 UVA 劑量為 223 MJ/m²，年 UVB 劑量為 20 MJ/m²。一台具有 80 W/m² UVA 及 50 W/m² UVB 的實驗室測試箱，約需 775 個運轉小時（約 32 天）即可達到年 UVA 劑量，約需 112 小時（不到五天）即可達到年 UVB 劑量。因此，一天的日照大約相當於兩小時的 UVA 或 18 分鐘的 UVB。此計算為劑量平衡；是否造成相同的損害，唯有透過與已知參考值的比較曝露才能判定。

使用 UVB 加速老化的速度有多快？
一台具有 50 W/m² UVB 的實驗室測試箱，其輻照度約為自然 UVB 輻照度的九倍，且不受夜晚與天氣影響。與每年約 1,000 小時日照的室外曝露相比，加速因子約為 80；依材料不同，甚至可觀察到高達 200 的加速因子。此因子並非材料本身的特性：鏈斷裂、黃化與脆化對輻照度增加的反應各不相同，超過某一材料相關的界限後，會出現在室外不會發生的損害模式。因此，時間壓縮唯有與已知參考值比較後才具有可靠性。

紫外線測試箱的輻照度與太陽相比有多高？
在 UVA 範圍內，典型測試箱的 80 W/m² 約為太陽在地表約 62 W/m² 的 1.3 倍。在 UVB 範圍內，50 W/m² 相對於自然的 5.6 W/m²，已達九倍之多。至於 UVC，則無從比較，因為波長低於 280 nm 的輻射並不會到達地球表面——因此 UVC 測試並非太陽模擬，而是一種技術負載情況的測試。因此，每一個所述的加速因子，都必須連同其所指的光譜範圍一起理解。