---为户外应用选择塑料材料时，您应考虑哪些因素，以确保其在阳光（及户外其他环境）下表现优异，

而非过早失效。

塑料材料在户外应用中的采纳经历了一个不断发展的过程。在20世纪早期至中期，大多数塑料常被认为

太脆、易褪色，并且在暴露于阳光紫外线辐射时容易快速降解。首批在户外应用中获得更广泛认可的聚

合物是聚乙烯和聚氯乙烯——这些材料至今仍被广泛使用。事实上，PE和PVC被认为是全球使用最广泛的

塑料之一。

高密度聚乙烯的发展使得PE在户外环境中的应用变得更加可行。在此之前，这种聚合物在紫外线照射下

表现不佳。更强、更刚硬的HDPE的开发，与稳定化添加剂技术的重大进展同步。这些进步标志着聚烯烃

和许多其他聚合物作为耐用户外材料的新时代开端。

PVC最初合成于19世纪中期，最初质地脆且难以加工。直到配方取得显著进步，特别是通过创新性地加

入添加剂后，这种材料才变得既可加工又更耐用。20世纪50年代后，硬质PVC在分配系统的管道中开始

流行，尽管这些安装通常很少或完全不直接暴露在阳光下。

我记得在20世纪80年代，塑料家具逐渐成为主流，我们家室外游泳池旁就放着PVC塑料露台椅。由于住

在海边，它们作为不会因含盐空气而腐蚀的替代品非常受欢迎。然而，这些椅子的表现并不如预期，很

快就开始粉化，最终因紫外线照射在很小的外力下就发生脆性开裂。自那时起，配方已有了巨大改进，

添加剂的加入及其带来的协同性能增强大大延长了其耐久性。如今，PVC被用于许多户外产品，包括商

业和住宅建筑材料，如壁板、窗户和装饰条，其户外使用寿命超过20年。

这些例子说明了塑料在户外应用中更广泛的演进。如今，许多材料在暴露于强烈的太阳紫外线时表现极

佳。然而，许多材料都被宣传为适用于户外用途，要从中为户外应用识别出理想候选者可能很困难。不

过，某些聚合物的固有化学结构使其表现优于其他材料。

适用于户外的材料

聚合物对紫外线的抵抗能力与其化学结构和配方直接相关。当聚合物主链吸收紫外线辐射时，会发生紫

外线诱导的降解，破坏其分子结构。通常，主链断裂是紫外线能量和氧化剂共同作用的结果。其机理可

能很复杂，并导致加速降解的循环反应。对紫外线辐射敏感的材料主要是那些含有能在紫外线频率范围

内吸收能量的生色团的材料。

生色团是聚合物可以吸收光波长的位置。虽然光吸收对产生颜色可能关键原因，但吸收较短波长的紫外

线可能由于其更高的能量而导致主链断裂。生色团并不总是标准聚合物结构的一部分。生色团的其他来

源可能包括聚合物内的分子缺陷、配方中的其他成分或污染物。

一个很好的例子是PE，其主链结构中不包含生色团。然而，未稳定的PE由于结构异常引入的羰基和氢过

氧化物基团而容易发生紫外线降解。事实上，大多数聚合物都含有污染物和结构异常。因此，即使是通

常被认为具有紫外线稳定性的聚合物也常常需要稳定化添加剂来确保足够的性能。

影响聚合物承受紫外线照射能力的三个主要因素是：

· 其吸收的波长频率（波长越短，破坏性越强）。

· 主链键的强度。

· 消散能量而非吸收能量的能力。

有些聚合物天生具有更好的抗紫外线能力。例如：

丙烯酸类，如：

· 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)

· 丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯共聚物(ASA)

聚酰亚胺类，如：

· 聚酰亚胺(PI)

· 聚醚酰亚胺(PEI)

· 聚酰胺-酰亚胺(PAI)

氟聚合物类，如：

· 聚四氟乙烯(PTFE)

· 聚偏氟乙烯(PVDF)

· 氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)

· 全氟烷氧基烷烃(PFA)

这些聚合物，如PMMA和ASA，要么对紫外线基本"不可见"，要么具有极其稳定的、能抵抗降解的主链

（例如氟聚合物中的碳-氟键）。许多其他天生不具备抗紫外线能力的聚合物，可以通过使用各种稳定化

技术变得适合户外使用。这些添加剂或工艺有助于聚合物承受紫外线照射并保持其性能。以下是对常见

聚合物及其紫外线稳定性的分析：

· 聚碳酸酯(PC) – 因其在紫外线攻击下机械性能损失极小而被认为具有紫外线稳定性，但容易变黄，

需要添加蓝色调校正剂。

· 聚苯硫醚(PPS) – 经过适当稳定化后，表现出非常好的户外耐久性。

· 聚砜(PSU) – 未填充的型号对紫外线敏感，但添加炭黑或其他稳定剂可改善其户外性能。

· 聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE) – 需要采用适当的稳定措施，其中高密度聚乙烯（HDPE）是推荐使用且最适

合户外应用的材料。

· 聚苯醚(PPO)和聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)  – 经过稳定化处理后，两者在户外表现良好。

· 聚酰胺(PA 6, PA 6/6) – 所有等级都需要稳定化处理。就常用规格而言，PA 6/6比PA 6对紫外线更敏感。

· 聚醚醚酮(PEEK) – 虽然抗伽马辐射，但对紫外线敏感，不适合长时间户外暴露。

· 聚甲醛(POM)和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS) – 虽然可以稳定化处理，但通常不太适合长期户外使

用。

选择正确的塑料

有效的材料选择过程始于早期识别所有关键性能要求。对于户外应用，制定一份全面的性能要求清单至关

重要，而不是主要关注抗紫外线能力。这种更广泛的方法增加了成功的可能性，因为材料选择将针对满足

所有关键性能要求而定制，而不仅仅是抗光氧化性。虽然紫外线降解是一个明显的考虑因素，但还有许多

其他因素需要考虑，这些因素可能对最终产品性能产生更大影响。需要考虑的关键性能包括：

· 机械强度

· 抗冲击性

· 热转变

· 热膨胀系数

· 韧性-脆性转变

· 耐温性

· 蠕变和疲劳

· 摩擦和磨损

· 密度和重量

· 成本

· 可回收性

此外，还需要考虑超出抗紫外线能力的多种户外环境因素，包括：

· 环境影响

· 雨水和露水带来的湿度和水分影响

· 臭氧和盐分等空气条件

· 热循环

· 不同户外温度下的短期和长期性能

· 化学相容性

有了全面的性能要求清单，您可以遵循一个系统的筛选过程，从而得到一份合适的备选材料短名单。然

后，您的重点可以转向优化抗光氧化性。可以考虑多种替代方案来为您的产品提供必要的抗紫外线能力。

这些可能包括：

· 选择一种具有固有抗紫外线能力的聚合物。

· 添加适当的稳定化配方以增强抗紫外线能力。

· 添加炭黑或二氧化钛等可以增强抗紫外线能力的填料。

· 为户外应用使用抗紫外线层进行保护或涂层。

鉴于存在如此多样的替代方案，最好不要将材料考虑仅局限于天生具有紫外线稳定性的聚合物。然而，

您必须认识到环境应激影响因素常常协同作用，加速降解并增加脆性失效和开裂的可能性。因此，最好

在实际环境条件下进行验证测试，理想情况下应涉及多种应激影响因素。

例如，当聚酰胺暴露在户外高湿度环境中时，其性能将与在无明显湿度情况下的性能有显著不同。大多

数设计者了解强度对湿度的响应，但其他长期性能，如抗蠕变性，也会受到很大影响。同样，基于脂肪

族聚酯型热塑性聚氨酯，虽然因其脂肪族性质被宣传为具有紫外线稳定性，但在高湿度和高热环境下也

可能断链而性能降低。当候选材料缺乏性能数据时，最佳做法是选择一种特性更明确的替代材料，或通

过必要的测试来验证确保相关性能得到满足。

‍

胜任户外环境

尽管如今许多聚合物被宣传为适合户外使用，但最优的材料选择将是能最好满足应用全面性能要求的那

一种。在开发过程早期充分确定这些要求对于最大化保证长期应用效能至关重要。很多时候，急于将产

品推向市场会牺牲掉适当的材料验证和确认时间，导致不可预见的故障。一种以解决所有关键需求为导

向的审慎方法，最终将为户外环境应用带来更可靠、更稳健的产品。

---

关于作者： Javier Cruz 是 The Madison Group 公司的高级管理工程师兼合伙人。Cruz 是化学工程专业

出身，对高分子材料产生兴趣，并在威斯康星大学麦迪逊分校完成了聚合物材料科学与工程专业的博士

学位。他是高分子材料许多方面的专家，包括材料选择、失效分析、产品开发、相容性与老化以及分析

测试。Cruz 还作为专家在许多案件中提供专业知识。

联系方式：608-231-1907；javier.cruz@madisongroup.com。