近年來，耐候性材料已廣泛應用於金屬屋頂背面的隔熱材料、空調管道罩、體育用品、各類雜貨、建築、土木工程、家用電器和汽車等。然而，大多數未改良的塑膠材料在室外使用時會出現外觀變化且劣化快速。這是因為原本在室內使用的產品受戶外環境，如紫外線、風和雨加速惡化而導致。因此，為因應長期在外使用的情境，人們希望開發出能夠減少紫外線引起之劣化的耐候隔熱材料。
本文將從以下大綱，針對耐候材料的發展及老化測試進行概述。
‧前言
‧耐候性及老化因子
‧高分子材料的耐候性差異
‧添加劑對耐候性的影響
‧耐候塑膠評估及老化試驗
‧工研院研發之耐候材料
‧結論
【內文精選】
前言
耐候性(Weather Resistance)材料一直以來廣泛應用於光電產業、汽機車產業、民生產業、休閒產業中，其產品與人們的生活息息相關。塑膠與金屬等替代材料相比，通常堅韌、耐腐蝕、耐化學腐蝕、重量輕、易於製造並且價格低廉。據市場調研機構Research and Markets最新資訊揭露，在2015~2020年間，全球工程塑料市場預計將達970億美元，市場複合年增長率將高達7.6%。MarketsandMarkets的市場報告也指出，2018年全球工程塑料的市場需求量約為1,691萬噸，並將以每年8.9%的年成長率穩定增加。目前工程塑料的應用以電子電器組件以及消費品領域為主，據Ceresana諮詢公司分析，電子電器及消費品幾乎各占據了25%的工程塑料市場需求，其次為汽車及交通領域的應用。
添加劑對耐候性的影響
除了聚合物材料本身的分子結構，添加劑配方也是影響材料耐候性的關鍵。紫外線穩定劑的兩大類包括：紫外線吸收劑(UVA)和受阻胺類光穩定劑(Hindered Amine Light Stabilizer; HALS)。
紫外線吸收劑(UVA)保護物質阻止光降解，吸收劑與聚合物競爭吸收紫外線。如圖二(a)所示，紫外線吸收劑經由結構的改變（異構化）有效地吸收激發能量。一個理想的UVA穩定性應該不用太高，而且能廣泛地吸收從290~400 nm的波長。碳黑是個常見且效果很好的紫外線吸收添加劑。
圖二、紫外線穩定劑機制
耐候塑膠評估及老化試驗
在塑膠耐候性的評估當中，主要分為自然曝露老化及人工加速老化兩種試驗方法。但由於自然暴露老化是在自然環境下直接暴露或間接暴露，費時較長，且受環境因素影響大，再現性低，所以業界評估材料耐候能力大多以人工加速老化試驗為主。最常見的是光老化試驗方法，分別為：
①氙弧燈曝露加速老化試驗：
氙弧燈的光譜範圍為波長大於270 nm的紫外光、可見光和紅外輻射，經適當濾光後其光譜能量分布與日光中紫外可見光部分最相似。通常測試溫度為65˚C±3˚C、濕度50±5%或65±5%、噴水時間/不噴水時間周期為18±0.5 min/102±0.5 min、輻照能量550 W/m2，其他可參照國際標準ISO 4892-2。氙弧燈的類比性高，唯加倍速率低是其缺點。
工研院研發之耐候材料
如上所述，目前國內外技術是於工程塑膠內加入大量的添加劑，來滿足耐候需求。代表性的商品為DuPont™ Rynite®工程塑膠材料，但其缺點為仍需加入高量的添加劑，如抗UV劑、阻燃劑、無機材料等，代表其聚合物強度、抗UV性、抗水解性不足而需提升，因此，工研院材化所(ITRI/MCL)開發新型耐候尼龍塑膠材料，透過預二胺官能化反應，導入抗UV環脂族單體，並開發全球首創常壓聚合製程，克服傳統高壓高溫製程技術的缺點。其聚合物具耐候/耐溫/低吸濕/高韌/高結晶/高性能等特色，只需簡易地混煉少量玻璃纖維(Glass Fiber)就可以達到極佳的機械性質。圖三照片所示為材化所自行開發的耐候尼龍中間體與耐候尼龍膠體粒子，數據圖表則為具耐候尼龍材料的熱分析圖，其熔點為280˚C、熱裂解溫度為435˚C。且經加速耐候老化測試模擬於戶外20年後拉力強度優於...…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖三、耐候尼龍樣品及熱分析圖
作者：劉弘仁、王惠民／工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」388期，更多資料請見下方附檔。