摘要：聚氯乙烯 （PVC） 是用途最广泛、应用最广泛的热塑性聚合物之一。从屋顶、乙烯基壁板和窗框（图 1）等建筑材料到户外围栏、甲板和家具，再到广告牌和标志，PVC 的耐用性、耐候性和成本效益使其成为户外应用的热门选择。然而，与所有聚合物一样，PVC 容易受到环境因

材料科学PVC产品性能

作者：Christopher G. Robertson 博士
Polymer Technology Services LLC， 美国俄亥俄州阿克伦市

聚氯乙烯 （PVC） 是用途最广泛、应用最广泛的热塑性聚合物之一。从屋顶、乙烯基壁板和窗框（图 1）等建筑材料到户外围栏、甲板和家具，再到广告牌和标志，PVC 的耐用性、耐候性和成本效益使其成为户外应用的热门选择。然而，与所有聚合物一样，PVC 容易受到环境因素的影响，尤其是来自太阳的紫外线 （UV） 辐射。虽然 PVC 对许多环境条件表现出相对较高的抵抗力，但长时间暴露在紫外线下而没有保护会导致美学和结构的严重劣化。为了确保在户外环境中的使用寿命和性能，有必要了解并增强 PVC 的抗紫外线性。这篇简短的文章概述了紫外线降解背后的科学以及用于提高 PVC 对紫外线降解的抵抗力的策略。

图 1.

用于建筑施工的乙烯基壁板和窗框材料的 PVC 户外产品示例。 图片是 2025 年 4 月 5 日使用 ChatGPT 生成的 AI。

聚合物的降解可以由热、光或机械源的能量引发。光诱导的聚合物变质称为光降解。光能的强度由普朗克常数 （h） 和电磁波频率 （ν） 的乘积来量化，后者与波长成反比。与可见光相比，紫外线辐射具有更高的频率（更低的波长），因此具有更高的能量 （HV），可能会引发聚合物的降解过程。与户外暴露相关的紫外线包括 315 至 400 nm 的波长范围，称为紫外线 A （UVA），它占地球表面紫外线辐射的 95%。紫外线 B （UVB） 的波长为 280 至 315 nm，占地面大气中存在的紫外线的剩余 5%。UVB 辐射的能量高于 UVA，因此 UVB 可能更具破坏性，尽管它的浓度要低得多。[1]

聚合物材料表面吸收的紫外线能量可以通过破坏聚合物主链或侧基中的化学键来启动降解过程，从而导致聚合物大自由基的形成。这些大自由基还可以与存在的氧气（从空气中扩散到材料中）发生反应，形成反应性有机过氧自由基。然后，在这个起始阶段形成的大自由基和过氧自由基自由基与其他聚合物链传播自由基链反应，终止后，最终导致聚合物结构的两种可能变化：（1） 断裂，与原始聚合物分子量相比，分子量降低（链长更短）;和/或 （2） 交联，即聚合物链的共价连接在一起以形成网络。该过程如图 2 所示，这是聚合物降解的简化概述。链断裂还是交联更普遍取决于许多因素，尤其是聚合物类型。对于 PVC 的光降解，主要结果是链断裂，这在紫外线暴露材料表面附近更为严重。[2]

图 2.

聚合物降解过程的简化示意图。

在许多聚合物（包括 PVC）中，光降解会导致颜色变化、机械强度降低和柔韧性丧失。考虑到上面给出的聚合物光降解一般情况之外的 PVC 细节，PVC 中的碳氯键在光降解过程中容易断裂，这反过来又会在聚合物链中产生共轭双键。在紫外线照射期间将这些双键引入结构会导致 PVC 颜色变为淡黄色或棕色调。这种变色不仅没有吸引力，而且是聚合物结构和机械性能同时恶化的指标。[3]

提高 PVC 抗紫外线性最常见和最有效的策略之一是加入二氧化钛 （TiO₂），这是一种白色颗粒填料/颜料，在复合到 PVC 配方中时起到紫外线阻断剂的作用。钛白粉通常以金红石和锐钛矿两种结晶形式存在，其中金红石的光稳定性更高，是户外应用的首选。钛白粉通过两种方式保护 PVC 免受紫外线伤害。钛白粉在到达 PVC 基体之前吸收有害的紫外线辐射，而钛白粉会散射紫外线和可见光，从而减少渗透到 PVC 中的光能。TiO₂ 的吸收和散射功能都通过减少暴露于聚合物的光能来防止前面讨论的光降解的起始阶段。

在 PVC 配方中添加钛白粉可显著延迟和限制紫外线诱导的 PVC 断链、变色和机械分解的程度。[2,4] 图 3 中给出了一个例子，它显示了 Andrady 和合著者的一项科学研究的结果。[5]由于这种颜料具有亮白色特性，在 PVC 化合物中掺入 5 wt% TiO₂ 可将 PVC 的初始黄度指数从 21.8 降低到 5.2（参见图中的虚线）。添加 5 wt% TiO₂ 后，PVC 具有抗紫外线能力，与不使用钛白粉的 PVC 相比，在 UVA 和 UVB 范围内的光照下，其颜色变化（黄变减少）明显减少（参见图中的黄色阴影区域）。

图 3：

在 23 °C 的温度下，在指定波长的单色光下暴露后，挤出 PVC（添加和不添加 5 wt% 的钛白粉）的黄度指数（使用色度计测量）。 虚线表示初始材质的黄度值（无光照）。黄色阴影区域表示由于光照引起的颜色变化。该图是通过绘制 Andrady 等人提供的表格数据创建的，[5] 其他实验细节可以在该参考文献中找到。

PVC 户外产品中使用的钛白粉用量约为 2 至 10 wt%，具体取决于具体应用，其中 4 至 6 wt% 是一个常见的范围。Vecor Technologies 最近推出的一项创新材料是一种名为 VC-PVCW 的加工铝硅酸盐粉末混合物，可用作钛白粉填充剂，将钛白粉的负载量减少 30% 至 40%，同时保持抗紫外线和其他性能特征。使用 VC-PVCW 可实现更具成本效益的 PVC 配方，因为这种材料的成本比钛白粉低约 20% 至 30%。这种细粉部分是由工业废料矿物开发的，因此 VC-PVCW 还为 PVC 化合物提供了更高的可持续性和循环性。6]

被称为有机紫外线吸收剂的添加剂可以补充钛白粉的紫外线吸收和散射保护。钛白粉颗粒很细（直径

炭黑是塑料和橡胶的颗粒增强填料，是增强 PVC 和其他聚合物抗紫外线能力的有效材料。炭黑吸收紫外线辐射并将其转化为热量，但其黑色限制了其在深色 PVC 应用中的使用。此外，吸收紫外线和可见光产生的热量对某些户外产品来说可能是一个负面属性，如果足够严重，可能会导致热能引发的降解（热老化）。

通过使用钛白粉和可选的互补有机紫外线吸收剂来防止光降解过程的启动，是赋予 PVC 抗紫外线能力的关键。然而，在户外产品的预期使用寿命内，不可能完全阻止所有紫外线到达聚合物链，因此不可避免地会引发一些自由基。因此，一种补充方法是使用其他添加剂来清除/中和形成的任何自由基，从而解决降解的自由基传播成分。受阻酚类抗氧化剂和亚磷酸酯类抗氧化剂是 PVC 应用中常用的自由基清除剂，因为它们的性能经验证，与 PVC 加工的相容性以及与紫外线吸收剂的协同作用。有机锡型稳定剂在 PVC 中主要用于防止某些产品的热老化，但它们也可以提供稳定性，防止紫外线辐射形成早期自由基。受阻胺光稳定剂 （HALS） 是一种用于各种聚合物产品的高效紫外线稳定剂。受阻胺类光稳定剂 （HALS） 可捕获和中和自由基，而受阻胺类光稳定剂 （HALS） 具有再生功能，这意味着它们可以连续循环发挥稳定功能。然而，在 PVC 化合物中使用 HALS 并不简单，因为 PVC 降解涉及氯化氢 （HCl） 的释放，这可能会使 HALS 失活或阻碍其性能，尤其是与 HALS 在聚丙烯和聚乙烯等聚烯烃塑料中的效果相比。为了使 HALS 在 PVC 中充分发挥作用，配方设计师通常需要加入酸清除剂或辅助稳定剂，以中和 HCl 并保持 HALS 活性。[2]

PVC 在各种户外产品中的成功取决于其抗紫外线性。如果没有添加剂，PVC 容易受到紫外线光降解的影响，表现为黄变和机械性能损失。幸运的是，现有的选择可以显著提高 PVC 的抗紫外线性，例如添加钛白粉颜料（既能吸收又能散射紫外线）、Vecor Technologies 的钛白粉填充剂 VC-PVCW、有机紫外线吸收剂和抗氧化剂/稳定剂来中和自由基。随着对户外 PVC 产品的需求不断增长，紫外线稳定技术的创新也将不断增长。

来源：陈讲运清洁能源