塑料的紫外老化与耐色牢度

紫外老化通过光化学反应、氧化以及稳定成分的分解使聚合物、涂层和染料发生变化。加速试验能够使材料差异显现出来，但只有当光谱、剂量、温度、湿度和样品几何形状与所研究的问题相匹配时，才能可靠地反映真实的风化情况。本页说明老化机理、影响变量以及短期辐照的测量规划。

紫外辐射引起的老化

紫外辐射通过光化学反应导致聚合物基材料及其他光敏材料发生多种变化。典型的损伤机理包括曝光变色（solarization）、光致变色、光降解以及由臭氧生成引起的材料老化：

a) 曝光变色（Solarization）
曝光变色是指玻璃或塑料等透明基材因紫外辐射而导致透过率下降的现象：色心和降解产物吸收光线，材料因此变色并呈现浑浊。

b) 光致变色
光致变色描述的是热塑性聚氨酯（TPU）、硅胶或聚碳酸酯等半透明塑料的光谱变化。受紫外辐射照射后，材料会逐渐泛黄，或出现白色粉状的表面变化（即所谓的"粉化"），其原因是分子结构重组或添加剂降解。

c) 光降解
光降解的特征是聚合物网络中分子键的断裂。这些过程会显著降低抗拉强度，并导致机械性能和热性能发生变化，从而严重损害材料的完整性。

d) 臭氧诱导氧化
在紫外辐射作用下，大气中的氧气可通过光解反应生成臭氧，臭氧是一种强氧化剂。它会加速氧化老化过程，尤其会导致弹性体、密封件和聚合物基封闭件变脆并产生裂纹。

短波辐射是一个特殊情况：UVC材料老化比UVA条件下进行得更快、更表层化，因为光子携带更多能量，并在最初几微米内被吸收——这也是为什么UVC消毒会使某些经年累月自然光照都不受影响的表面出现粉化现象。

紫外辐射会在塑料的聚合物结构中引发光化学反应。由此产生的材料降解取决于辐射的强度和光谱组成。纺织品也会遭受与传统塑料类似的损伤机制。

以下将讨论紫外辐照下的这些影响：

聚合物主要由有机共价键结构单元组成。一种主要的损伤机制是光解链断裂。在此过程中，高能光子通过直接吸收使聚合物主链断裂。此外，聚合物复合体内部的激发态也会导致自由基的形成。上述降解过程主要局限于表面附近的层，通常不会深入材料内部超过0.5 mm。然而，由脆性增加引起的应力集中仍可能引发结构失效机制，尤其是在技术模制件中。

与较长波长相比，UV-C辐射能量最高，因此对聚合物材料的潜在损伤最大。由于地球大气层的吸收，地面上不会出现天然的UV-C辐射。工业应用也仅限于特定场合。因此，关于材料在单独UV-C照射下老化行为的实证数据非常有限。如果技术设备中使用了UV-C辐射，可以对其进行相应的测试。

紫外辐射的类型

紫外辐射根据其光谱组成及对材料的相应物理影响加以区分。天然太阳光——即所谓的总辐射——主要包含UV-A和UV-B辐射。UV-A（315～400 nm）和UV-B（280～315 nm）存在于自由大气中，而UV-B几乎完全被普通窗玻璃吸收。这意味着室内只有一小部分UV-A辐射起作用。

采用提高的UV-A和UV-B辐照度进行测试，可在受控实验室条件下模拟加速光化学老化。然而，这种加速老化无法用统一的换算系数来描述，因为它高度依赖于材料类型、辐照时间、波长、温度和湿度。

在最佳条件下（晴空、夏季阳光、太阳高度角45°），地面上的最大总辐照度约为1000～1100 W/m²。其中紫外线部分UV-A约占5～6%，UV-B约占0.5～1%。由此得出地面紫外辐照度的典型值约为62 W/m²（UV-A）和约5.6 W/m²（UV-B）。

作为对比：BS-02紫外辐照设备可产生高达约80 W/m²的UV-A辐照度和高达约50 W/m²的UV-B辐照度，具体取决于所配备的灯管。因此其UV-B部分比自然太阳辐射高出多达九倍。假设每年的总日照时间约为1000小时，使用BS-02设备约30天即可达到相当于全年的UV-A剂量。

在UV-B范围内，这种强烈辐照——取决于聚合物类型及其稳定化处理——可实现高达200倍的老化加速系数。然而，此类实验室老化模拟的实际有效性必须始终根据材料和应用进行评估，并需要进行对比辐照。
 

紫外老化示例

该图以发光二极管为例，展示了新组件与老化组件之间的对比。左侧为新组件，右侧为经过350小时人工紫外老化后的样品。该图示例说明了老化过程。老化后的发光二极管出现变黄和褪色现象。此外，褪色的保护涂层部分出现开裂和脆化。

人工老化中光源的差异尤其值得关注。对比测试采用了 UVB-313 辐照（下方）与经滤光处理的氙灯人工气候老化（上方）两种方式。UVB-313 辐照的总辐照量约为70 MJ/m²，而经滤光处理的氙灯人工气候老化的总辐照量约为190 MJ/m²。

根据[Schulz，Kurzzeitbewitterung，2007]，采用荧光灯的老化方法会使样品因紫外辐照而出现日益明显的黄变现象。相比之下，采用氙弧灯辐照则会导致样品出现更强烈的褪色现象。

这两种方法之间的另一个差异在于样品的温度。使用荧光灯时，样品温度保持较低。这是因为荧光灯的辐射被限制在紫外光谱范围内，样品所受到的辐照度仅约为氙灯设备所产生辐照度的6%。

下图直接对比了两个阳极氧化铝表面：左侧为全新部件，右侧为同类型的老化样品。

经过UVB和UVA老化后，老化部件出现了明显的光致褪色（变色）现象。这种视觉变化是紫外线诱导老化过程的典型特征，会损害阳极氧化层的色彩稳定性。其原因可能是有机色素的光化学分解，也可能是氧化层因长期受到紫外辐射而产生的结构变化。

药品的光稳定性测试遵循其自身的法规要求，相关内容见专题页面ICH Q1B。本页面主要介绍材料、涂层和色牢度。

此类测试在具有确定均匀度、并采用时间或剂量控制辐照的屏蔽箱内进行；相关结构设计及其与测试任务的对应关系见紫外辐照箱页面。样品位置处所设定剂量的验证方法见紫外测量仪与辐射计页面。

在实验室中模拟太阳辐照需要多长时间？
这仅由辐照度之比决定。在地面，太阳提供约62 W/m²的UVA和5.6 W/m²的UVB；按每年约1,000 h的日照时间计算，年UVA剂量约为223 MJ/m²，年UVB剂量约为20 MJ/m²。一台UVA辐照度为80 W/m²、UVB辐照度为50 W/m²的实验室辐照箱，可在约775 h的运行时间内（约32天）达到年UVA剂量，并在约112 h（不到5天）内达到年UVB剂量。因此，一天的日照相当于约2 h的UVA辐照或18分钟的UVB辐照。该计算只是剂量平衡；是否会产生相同的损伤，只能通过与已知参考样品的对比曝晒来确定。

使用UVB进行加速老化的速度有多快？
UVB辐照度为50 W/m²的实验室辐照箱可达到自然UVB辐照度的约9倍，且不受昼夜和天气影响，持续提供辐照。与每年约1,000 h日照的户外老化相比，其加速因子约为80；根据材料的不同，观察到的加速因子最高可达200。该因子并非材料本身的属性：链断裂、黄变和脆化对辐照度提高的响应各不相同，一旦超过与材料相关的某个界限，就会出现户外条件下不会出现的损伤模式。因此，只有在与已知参考样品进行对比时，时间压缩才具有可靠性。

紫外测试箱的辐照度与太阳相比有多高？
在UVA波段，典型测试箱的辐照度为80 W/m²，约为太阳在地面辐照度（约62 W/m²）的1.3倍。在UVB波段，50 W/m²相对于自然辐照度5.6 W/m²，已经是其9倍。对于UVC，则无法进行比较，因为波长低于280 nm的辐射无法到达地球表面——因此UVC测试并非模拟太阳辐照，而是对某种技术负载工况的测试。因此，每一个给出的加速因子都必须与其所涉及的光谱范围一并说明。