耐候塑料改性材料中的 UV 吸收器和 HALS 系统

背景/问题

当聚合物暴露在阳光下时，紫外线辐射会引发一系列化学反应，逐渐破坏其分子结构。任何见过户外塑料部件失效的人都熟悉其明显的后果——褪色、泛黄、粉化、脆化、开裂。

此选择主题的相关 德宇塑料材料参考： DGK-ABS R165UV UV 耐ABS🔍 和 DGK-ASA FR801UV 耐候 ASA🔍.

为了防止这种降解，配方设计师转向使用光稳定剂。两项主要技术主导该领域：UV 吸收剂 (UVA) 和受阻胺光稳定剂 (HALS)。虽然两者都可以保护聚合物免受 UV 损坏，但它们的工作机制却截然不同。 UV 吸收剂充当屏蔽，在有害辐射到达聚合物之前将其拦截。 HALS 充当修复人员，中和降解开始时形成的反应自由基。

单独使用，每个都提供宝贵的保护。它们一起使用，可以产生协同效应——双管齐下的防御，其性能优于单独使用任何一个组件。这种组合已成为聚烯烃、苯乙烯、工程塑料和涂料等要求严苛的户外应用的行业标准。

本文解释：

UV 吸收器和 HALS 如何单独和一起工作

两种技术之间的主要区别

协同效应：为什么组合优于单一添加剂

实用配方指南和装载建议

比较仅 UVA、仅 HALS 和组合系统的验证数据

技术难度/为什么会发生

UV 级联退化

了解稳定器的工作原理需要了解它们正在对抗的是什么。当高能 UV 光子撞击聚合物时，它们会破坏主链内的化学键。产生的碎片立即与周围的氧气反应，产生自由基——不稳定的分子，传播降解的链式反应。

这种级联降解（称为光氧化）主要表现为三种方式：

降解效应	机制	看得见的结果
颜色变化	发色团形成（羰基、共轭双键）；色素破坏	泛黄、褪色、变色
机械损失	断链降低分子量；交联增加脆性	脆化、开裂、冲击强度损失
表面降解	光氧化侵蚀表层	粉化、失去光泽、表面粗糙

UV 吸收器：第一道防线

作用机制

UV吸收剂是通过吸收有害的紫外线辐射并将其转化为无害的热能来保护聚合物的添加剂。它们会在 UV 损坏开始之前发挥作用，就像塑料的防晒霜一样。

该机制展开如下：

吸收：UVA 分子吸收 290—00 nm 范围内的 UV 光子

激发：分子进入激发电子态

能量耗散：通过非辐射跃迁，吸收的能量以低品位热量的形式释放

再生：分子回到基态，准备再次吸收

该过程取决于分子进行非辐射弛豫的能力，从而防止聚合物主链发生光解或氧化。

主要化学家族

UVA级	结构	吸收范围	主要特点
苯并三唑类	苯酚取代苯并三唑	270—00 nm	吸收广泛；高光稳定性；使用最广泛
二苯甲酮类	二羟基二苯甲酮衍生物	260—50 nm	广谱吸收；随着时间的推移会变黄
羟基苯基三嗪 (HPT)	基于三嗪的结构	280—80 nm	热稳定性高；低波动性；非常适合高温加工

苯并三唑是最常见的一类。它们具有广泛的 UV 吸收、高光稳定性以及与多种聚合物的兼容性。商业示例包括 Tinuvin P、Tinuvin 326, 和 Tinuvin 234.，UV-234 在 300-80 nm 范围内具有宽吸收光谱，涵盖最具破坏性的 UV-B 和 UV-A 波长。建议的装载水平按重量计算通常范围为 0.1% 至 1.0%。

单独使用 UV 吸收器的局限性：

它们不能清除自由基——一旦降解开始，长波紫外线就无法阻止它

它们会随着时间的推移而消耗，并且会迁移或挥发，尤其是在高温下

它们为 UV 渗透受到限制的厚部分提供有限的保护

某些类型（例如g.、二苯甲酮）本身可以发生光降解

HALS：激进的清道夫

作用机制

HALS 不吸收 UV 辐射。相反，它们通过自由基清除来发挥作用，即中断光氧化引起的链式反应。

该机制涉及催化循环：

自由基生成：UV 暴露会在聚合物中产生自由基（R·、ROO·）

自由基捕获：受阻胺基团捕获这些自由基

硝基氧形成：胺被氧化成稳定的硝酰自由基（NOR·）

再生：硝酰基自由基与其他自由基反应，再生活性物质

这种再生特性是 HALS 的决定性优势——它们是非消耗性催化剂。 A 单个 HALS 分子在其使用寿命内可以中和数千个自由基，即使在低浓度下也能提供持久的保护。

主要 HALS 系列

HALS型	结构	主要特点
低分子量（e.g.、Tinuvin 770）	双(2,2,6,6-四甲基哌啶基)癸二酸酯	适用于薄切片；波动性较高
高分子量（e.g.、Chimassorb 944）	聚合物HALS	低波动性；优异的抗萃取性；适用于薄膜和纤维
N-R 与 N-H 类型	烷基取代与 H 取代	N-H型通常在PVC中表现出更好的耐候性

单独使用 HALS 的局限性：

它们不吸收 UV——它们无法防止初始光子损伤

它们可以与酸性改性材料（酸性环境、某些颜料、酸性副产品）相互作用，从而降低有效性

某些 HALS 类型可能会导致某些配方中的初始颜色（黄色）

有效性取决于氧气的可用性——在厌氧条件下效果较差

协同效应：为什么 UVA + HALS > UVA + HALS

UV 吸收器和 HALS 的组合显着优于单独的任何一个组件。这不仅仅是累加性的——它是协同性的，意味着综合效应大于单独效应的总和。

协同作用如何发挥作用：

防御层	成分	功能
第一行	UV吸收器	拦截 UV 光子，减少初始伤害
二线	HALS	清除尽管 UVA 仍逃脱的激进分子
结果	组合	无单点故障；全面保护

协同作用的产生是因为两种稳定剂在降解途径的不同阶段发挥作用：

UV 吸收剂首先起作用，减少到达聚合物的 UV 剂量并防止自由基的形成

HALS 发挥第二作用，中和在 UV 吸收剂的努力下形成的自由基

量化协同：

研究已经证明了这种影响的严重性：

在聚丙烯和 HDPE 中，观察到高水平的协同作用。最佳 UVA:HALS 比率约为 25:75 以获得最大效率。

在 ABS 树脂中，协同作用也很高，最佳比例约为 10:90.

在聚苯乙烯中，观察到适度的协同效应，最佳比例约为 20:80.

仅用 UV-234 稳定的 聚丙烯薄膜可在户外使用 3 年； UV-234 和 HALS 的同一部电影可以持续 10 年。

在PVC中，在N-H型HALS中添加苯并三唑UV吸收剂产生了显着的协同效应，具有最佳的耐候性和100%机械性能保留。

光稳定等级

了解每种技术在整体稳定策略中的适用位置：

稳定器类型	角色	何时使用
UV吸收器	防止光引发	对于彩色部件来说是必不可少的；对于薄切片至关重要；保护颜料
HALS	防止自由基传播	对于长期耐用性至关重要；对于厚截面至关重要；保护机械性能
抗氧化剂	防止热氧化	高温加工和服务所必需的；补充 UV 保护
组合系统	全谱保护	要求严苛的户外应用需要 >3 年

DEYU 材料方向

DEYU 通常根据每个应用的特定性能优先级来评估和推荐 UV 稳定器系统。该方法并不是“越多越好”，而是 UVA 和 HALS 类型和负载的平衡优化。

德宇塑料稳定剂选择框架

申请优先级	主稳定器	二级稳定器	基本原理
颜色稳定性	UV吸收器（高负载）	低色HALS	UVA 在 UV 到达颜料之前拦截它
冲击/机械保持	HALS（高分子量）	UV吸收器	HALS防止断链
长期耐用性（>5 年）	HALS（再生型）	UV吸收剂+抗氧化剂	HALS提供持续保护
高温处理	HPT UV 吸收器	HALS	HPT UVA 在加工过程中可抵抗热降解
平衡的性能	HALS + UVA 协同混合	抗氧化剂	双管齐下防御最大化所有属性
酸性环境	耐酸HALS	UV吸收剂+除酸剂	防止 HALS-酸相互作用

德宇塑料建议的聚合物装载指南

聚合物	UVA型	UVA 加载中	HALS型	HALS 加载中	总稳定包
PP	苯并三唑	0.2—.3%	高 MW HALS	0.4—.6%	HALS + UVA + AO
PE	苯并三唑或HPT	0.15—.25%	高 MW HALS	0.3—.5%	HALS + UVA + AO
ABS	苯并三唑	0.3—.5%	低色HALS	0.3—.5%	高 UVA + HALS + AO
PC	苯并三唑	0.25—.35%	低色HALS	0.3—.5%	UVA + HALS + 水解
ASA	选修的	0—.2%	低色HALS（可选）	0—.3%	固有的 UV 稳定性
PA6/PA66	苯并三唑	0.2—.3%	HALS+热稳定剂	0.3—.5%	HALS + UVA + 加热 + 水解

配方优化原则

1. HALS选型

选择 HALS 的依据是：

分子量：高MW，低挥发性（薄膜、薄片）；低 MW 可实现更快迁移（厚切片）

化学结构：N-H型，适用于PVC及酸性环境； N-R型聚烯烃用

颜色灵敏度：低色HALS，适用于浅色或透明部件

相容性：确保与聚合物和其他添加剂的相容性

2. UVA选型

选择 UVA 的依据是：

吸收光谱：与应用的 UV 曝光曲线匹配

热稳定性：HPT型用于高温加工

波动性：高 MW 类型可实现低波动性

颜色影响：一些 UVA（例如。g.、二苯甲酮）会导致泛黄

3. 比率优化

最佳 UVA:HALS 比例因聚合物而异：

PP、HDPE：~25:75 (UVA:HALS) 实现最大协同作用

ABS: ~10:90 实现最大协同作用

PS: ~20:80 中等协同作用

DEYU 可以根据特定应用要求和环境条件提供技术数据表、小批量验证数量、加工指南和配方建议，从而支持稳定剂系统的选择。

参考产品数据

聚丙烯稳定剂方法的比较

下表比较了典型聚丙烯体系中不同稳定剂方法的性能。

性能项目	不稳定的PP	仅限 UVA (0.3%)	仅限 HALS (0.5%)	UVA + HALS（协同）
基体树脂	聚丙烯	聚丙烯	聚丙烯	聚丙烯
稳定器类型	没有任何	苯并三唑UVA	HALS（高MW）	苯并三唑+HALS
加工方式	注塑成型	注塑成型	注塑成型	注塑成型
初始颜色（黄度指数）	2.5	3.5	4.0	3.8
2000h QUV 后颜色变化 (ΔE)	12.5	2.8	4.5	1.8
2000h QUV 后的冲击保持	<30%	65%	88%	94%
2000h QUV 后的拉伸保持率	<35%	70%	85%	92%
2000h QUV 后的光泽保持率	<20%	75%	80%	88%
表面裂纹 (2000h QUV)	严重	次要的	没有任何	没有任何
预计使用寿命（温和气候）	<1年	3—年	5—年	7—0年
成本指数	1.0x	1.1x	1.15x	1.25x

主要观察结果：

协同 UVA+HALS 系统在所有指标中提供最佳的整体性能

UVA-仅提供良好的色彩保护，但机械保持力有限

HALS-仅提供出色的机械保持力，但具有中等的颜色保护

与单独使用任一添加剂相比，组合系统的使用寿命延长了 2—×

UV 吸收器和 HALS 产品参考数据

产品	类型	化学族	关键应用	典型负载
蒂努文P	UVA	苯并三唑	通用；适用于多种树脂	0.1—.5%
蒂努文326	UVA	苯并三唑	聚烯烃、聚酯、涂料	0.2—.5%
蒂努文234	UVA	苯并三唑	广谱； 300—80 nm 吸收	0.1—.0%
蒂努文770	HALS	低MW哌啶	聚烯烃、聚氨酯	0.1—.5%
Chimassorb 944	HALS	高MW聚合物	薄膜、纤维、厚切片	0.1—.5%
UV-P	UVA	苯并三唑	PVC、PP、PC、PMMA、ABS； 270—80nm	0.05—.5%

数据来源：行业标准产品数据表；数值具有代表性，可能因具体等级和应用而异。

客户调试/验证场景

场景：户外汽车装饰——褪色和冲击损失

客户简介：一家汽车级 1 供应商，为主要 OEM 生产注塑外饰组件（后视镜外壳、格栅边框）。

最初的问题：客户在 0.3% 添加量下使用 UV 稳定的 ABS 改性材料和单一苯并三唑 UV 吸收剂，而没有 HALS。经过 12—8 几个月的现场暴露后，零件显示：

褪色：与原来的深灰色相比ΔE > 4.5，超过OEM的3.0极限

冲击损失：缺口冲击强度从原始值下降45%

表面退化：朝南表面可见粉化和失去光泽

根本原因分析：

性能问题	根本原因
褪色	UV 吸收剂添加量不足以保护有机颜料系统。 UV 光子到达色素并破坏发色团。
冲击损失	没有 HALS 出现。断链发生不受控制，降低了分子量和冲击强度。
表面降解	UV 吸收剂在表面的消耗速度快于其补充速度。不存在二级保护机制。

试用方法：DEYU 支持评估三种稳定器系统选项：

选项	稳定系统	基本原理
选项 A	仅 UVA (0.3%)	基线——与原始相同
选项 B	仅 HALS (0.5%)	测试HALS单机性能
选项 C	UVA + HALS 协同（0.3% UVA + 0.5% HALS）	完整的协同系统

试用数量：各选项500 kg 月产量：8,000装饰组件 试用时间：12 个月加速测试 + 18 个月现场暴露

验证协议：

每 ASTM G154 加速 UV/风化（荧光 UV、3000 小时）

根据 ASTM D2244 进行颜色测量（ΔE，黄度指数）

根据 ASTM D256 进行缺口冲击测试（从风化部件中提取样品）

根据 ASTM D523 进行光泽度测量

表面粉化和裂纹检查（10x 放大倍数）

试用结果：

公制	选项 A（仅限 UVA）	选项 B（仅限 HALS）	选项 C (UVA+HALS)	验收
3000h QUV 后的 ΔE	5.8	4.5	1.9	<3.0
ΔE场，18月	4.5	3.8	1.2	<3.0
冲击保持力 (3000h QUV)	48%	85%	91%	>80%
冲击保留（现场，18 个月）	55%	82%	93%	>80%
保光性（现场，18 月）	42%	68%	84%	>70%
表面粉化（现场，18月）	评级 3/5	评级 2/5	评级 0/5	<2/5
表面裂纹	出现在 8% 上	没有任何	没有任何	没有任何
OEM 通过率	78%	92%	99.5%	>97%

试用后的方向：

选项 C（UVA+HALS 协同系统）在所有三个属性（颜色、冲击力和表面完整性）上提供了卓越的性能。这种协同组合保护了颜料系统 (UVA) 并保持了分子量 (HALS)。

客户将生产转变为增强配方。 DEYU 通过以下方式支持过渡：

提供详细的UVA+HALS稳定器封装规格

提供小批量材料进行生产规模验证

协助加工优化（熔体温度 220—50°C、模具温度 40—0°C），以确保稳定剂的完整性

推荐使用低色度 HALS 类型，以最大程度地减少初始黄度影响

增强型材料成本比仅使用 UVA 的系统高出约 15%，但 OEM 通过率从 78% 提高到 99.5%，从而消除了废品成本并提高了客户满意度。使用寿命由2—年延长至6+年。

注意：这是基于常见行业经验的复合验证场景。具体结果可能因应用、地理位置和处理条件而异。

验证数据表

下表提供了用于跨不同性能属性评估 UVA 和 HALS 系统的框架。

性能属性	测试指标	UVA-聚焦系统	HALS-聚焦系统	协同系统	测试方法
颜色稳定性	2000h QUV 后的 ΔE	<3.0	3.0—.0	<2.0	ASTM D2244
颜色稳定性	黄度指数（初始）	低的	中等（某些 HALS 类型）	低至中等	ASTM D1925
冲击保持力	2000h QUV 后缺口冲击保持力	60—5%	80—0%	>90%	ASTM D256 / ISO 180
机械保持	2000h QUV 后的拉伸保持率	60—5%	80—0%	>90%	ASTM D638 / ISO 527
表面完整性	2000h QUV 后的光泽保持率	70—5%	70—0%	85—5%	ASTM D523
表面完整性	表面裂纹 (3000h QUV)	可能未成年人	没有任何	没有任何	视觉 (10x)
加工	稳定剂波动性	缓和	低的	低的	TGA
成本	相对成本指数	1.0—.1x	1.1—.2x	1.15—.3x	—/td>

结果解读

解释稳定器性能数据

颜色数据（ΔE）：

ΔE < 3.0：人眼不可见——对于大多数应用来说是可接受的

ΔE 3.0—.0：可见颜色变化—对于非美观部件来说可能是可以接受的

ΔE > 5.0：显着变色——对于大多数户外应用来说是不可接受的

A UV 吸收剂在防止初始颜色变化方面通常比单独使用 HALS 更有效。然而，某些 HALS 类型可能会导致初始泛黄，使用低色度 HALS 类型可最大限度地减少这种影响。

冲击保留数据：

冲击保持率>85%：优秀；分子量得到很好的保护

冲击保持 70—5%：适用于许多应用；发生了一些断链

冲击保持力<70%：不足；显着的分子量损失

HALS 在保持冲击强度方面比单独使用 UV 减震器更有效，因为 HALS 可以防止断链——这是冲击损失的主要原因。

协同优势：

数据一致表明，UVA+HALS 组合的性能优于任一单独组件。协同效应不仅仅是相加的——在许多情况下它是相乘的。这是因为：

UVA 减少了到达聚合物的初始 UV 剂量

HALS 清除 UVA 形成的自由基

HALS 会再生，即使 UVA 被消耗也能提供持续的保护

该组合系统同时解决光引发和自由基传播问题

何时使用哪个系统

申请要求	推荐的稳定方法
短期户外（<3年），成本敏感	仅限UVA（足够的色彩保护）
短期户外，机械保持力至关重要	仅 HALS（或低 UVA + HALS）
长期户外（>5年），性能均衡	协同UVA + HALS系统
优质外观（颜色关键）	高色UVA+低色HALS
高温加工	HPT UVA + 高 MW HALS
酸性环境（污染、农用化学品）	耐酸HALS+UVA+除酸剂

适合的应用

应用	主要性能优先	推荐的稳定器方向
汽车外饰件	色彩+冲击力	UVA + HALS 协同混合；低色HALS
农膜	长期耐用	HALS（高MW，耐农用化学品）+ UVA
户外电气外壳	影响+长期	HALS + UVA + 抗氧化剂
户外家具	颜色+表面	UVA（高载）+HALS
标牌	颜色（关键）	UVA（苯并三唑）+低色HALS
游乐场设备	影响+长期	HALS（高MW）+UVA
建筑型材	颜色+表面	UVA + HALS（耐候级）
汽车内饰	颜色（低UV，高热）	HALS（热稳定性）+抗氧化剂

按性能优先级选择

主要性能优先	推荐的稳定系统
最佳的色彩稳定性	高载量UVA（苯并三唑）+低色度HALS
最佳冲击保持力	高-MW HALS (0.5—.0%) + UVA (0.1—.2%)
最佳的长期耐用性	HALS（再生、高MW）+ UVA + 主/辅抗氧化剂
最佳加工稳定性	HPT UVA（低波动）+ HALS
最佳平衡性能	协同 UVA+HALS 混合（0.2—.4% UVA + 0.3—.5% HALS）

买家应提供什么

为了准确选择稳定剂系统，买家和配方设计师应提供以下信息：

申请信息

聚合物底座（PP、PE、ABS、PC、PA等）

零件功能（结构、装饰、电气等）

预计使用寿命（年）

地理位置和气候带

性能优先级

主要关注点：颜色、冲击力、长期耐用性还是平衡？

颜色要求：目标ΔE，可接受的初始黄度

机械要求：老化后的最小冲击力和拉伸保留率

表面要求：保光性、耐粉化性

环境条件

UV 暴露（每天直射阳光时间，方向）

温度范围（环境和表面）

湿度和降水量

化学品暴露（农用化学品、道路盐、酸性环境）

处理信息

加工方式（注塑、挤出等）

熔体温度和停留时间

年产量

现有的工具和加工限制

验证要求

目标测试标准（ASTM G154、ISO 4892-2、具体OEM标准）

颜色、影响和长期性能的验收标准

材料鉴定时间表

DEYU 可以根据特定的性能优先级和应用要求提供技术数据表、小批量验证数量、加工指南和配方建议，从而支持稳定剂系统的选择。

结论

UV 吸收剂和 HALS 是保护塑料免受 UV 降解的两项主要技术。它们通过根本不同的机制发挥作用 - UV 吸收器在 UV 光子造成损害之前拦截它们，而 HALS 中和降解开始时形成的反应自由基。

要点：

稳定器	机制	主要力量	主要限制
UV吸收器	光子吸收--散热	优良的色彩保护；屏蔽颜料	不阻止自由基的传播；随着时间的推移消耗
HALS	自由基清除；再生循环	优异的机械保持力；持久	不吸收UV；可以与酸相互作用
协同系统	UVA + HALS 组合	全面保护；优于单独任何一个	成本较高；需要优化

协同效应是现代耐候塑料的关键：

UVA吸收UV辐射，减少初始伤害

HALS 清除逃逸的自由基，防止传播

该组合提供了任何单一添加剂都无法比拟的双管齐下的防御

与单独使用任一添加剂相比，使用寿命可延长 2—×

对于配方设计师和材料工程师来说，获得最佳 UV 保护的途径是明确的：

定义主要性能优先级（颜色、影响或长期耐用性）

选择符合该优先级的稳定器类型

考虑协同 UVA+HALS 组合以实现平衡性能

根据特定聚合物优化比例（PP：~25：75；ABS：~10：90）

通过全面的测试进行验证——不仅仅是 UV，还包括颜色、冲击力和长期保留

考虑环境因素——酸性环境可能需要耐酸 HALS

DEYU 可以支持该过程的每一步 - 从稳定剂选择到配方优化，从小批量验证到生产规模过渡 - 确保所选的 UVA/HALS 系统提供所需的颜色稳定性、机械保持性和长期耐用性。