3D打印材料的紫外老化

在这里比较的四种3D打印材料中，只有ASA专为户外长期紫外线及风化暴露而设计；PLA和标准PETG并不适用于此用途。在短期紫外-C辐照下，后两者的排名则正好相反：在254 nm下辐照24小时后，PETG的拉伸强度损失38%，而PLA仅损失9%[1]。因此，"耐阳光"和"耐紫外-C"并非可互换的性能。

用于户外或受紫外线辐照的3D打印塑料件会随时间发生变化：可能褪色、变脆或强度下降。其原因在于高能紫外（UV）辐射会破坏聚合物中的化学键——这一过程称为光氧化老化。通常可将其大致分为三个波段：

• UV-A（315～400 nm）：占太阳紫外线的最大比例，导致数月至数年的缓慢老化。
• UV-B（280～315 nm）：阳光中能量更高的部分，会进一步加速老化。
• UV-C（200～280 nm）：在自然界中几乎无法到达地球表面，但因其能特别有效地灭活微生物而被有意用于消毒设备中——出于同样的原因，它也会对塑料造成特别强烈的破坏[8]。

但是，PLA、TPU、PETG和ASA等常见3D打印材料对紫外光和紫外-C辐射的稳定性究竟如何？以下概述总结了哪些结论可以由实测数据支持，哪些证据仍然不足。

关于各光谱范围的详细内容，请参见什么是紫外辐射？，材料的老化机理请参见紫外老化、耐色牢度与光稳定性。打印及后固化过程中的测量技术请参见增材制造与3D打印的紫外测量。

所引用的研究以三种力学量说明紫外线造成的损伤。它们各自反映不同的方面：

• 抗拉强度：指部件在断裂前每单位面积所能承受的力。紫外线照射后抗拉强度下降，说明材料已变弱。
• 断裂伸长率：指材料在断裂前可被拉伸的程度。断裂伸长率下降表明材料正变得更脆。
• 脆化：聚合物失去弹性，更容易断裂——这通常是紫外线损伤的早期可见迹象。

在所比较的四种材料中，ASA最适合长期承受紫外线和风化环境的考验；PLA和标准PETG则不适用于此。一个关键发现与通常的预期相反：在受控UV-C辐照24小时后，PETG的强度下降幅度（−38%）明显大于PLA（−9%）[1]。这表明"在阳光下表现良好"并不意味着"在UV-C下也表现良好"——这两种辐射对同一种聚合物的作用方式并不相同。

下表将自然老化条件下的表现与紫外C辐照下的表现并列展示。PLA和PETG的紫外C数值来自同一测试系列，因此可直接比较；TPU和ASA则缺少方法可比的测量数据。

PLA是3D打印的入门级材料：价格低廉、易于打印，但对热和紫外光敏感。

• 通常不具备紫外稳定性：长期户外使用会导致脆化和变色 [2]。
• 在紫外C（24 h，10 W/m²，254 nm）照射下：无明显变化，抗拉强度降低9.1%（29.54至26.86 MPa），抗压强度降低13.1%，杨氏模量基本不变（降低1.9%，无统计学意义）[1]。
• 结论：短期紫外C照射在力学性能方面相对耐受良好，但无法承受长期户外老化。

TPU是一种类似橡胶的柔性材料，可弯曲、可拉伸——例如用于密封件或握把。

• 标准TPU不具备紫外线稳定性[3]。
• 添加紫外线添加剂后——例如能够吸收紫外线的二氧化钛或氧化锌等填料——其耐紫外线性能以及紫外线老化后拉伸强度和断裂伸长率的保持率均显著提升；该文献未给出具体数值[3]。
• 目前尚无可靠的UV-C专项数据。

PETG比PLA更坚韧、抗冲击性更强，因此常用于功能性零件。

• 耐候性优于PLA，但并非为长期紫外线照射而设计；在持续日照下可能变得橡胶状且软化[4]。
• 在紫外C下（条件与PLA相同）：损伤明显重于PLA——抗拉强度下降38.1%（从31.30降至19.48 MPa），抗压强度下降33.9%，断裂伸长率从3.06%降至1.36%（严重脆化），并出现明显发黄和光泽度下降[1]。
• 市场上存在专为户外应用而特别经过紫外稳定化处理的PETG材料（最高连续使用温度70 °C），但它们与用于3D打印的标准PETG并不相同[5]。

ASA专为户外使用而研发，被认为是本次比较的打印材料中耐候性最强的一种。

• 专为抗紫外线和耐候性而研发：ABS中对紫外线敏感的橡胶成分被更耐紫外线的丙烯酸酯所取代[2]。
• 根据ASTM G154实验室测试，经过2,000小时紫外线辐照后，仍保留约85%的抗拉强度[6]。
• 122天户外测试：在强紫外线照射下性能没有明显下降[7]。
• 目前尚无经量化的UV-C专项测试数据。鉴于该材料整体的紫外线耐受性，实验室报告称经过100 h的UV-C直接辐照后未见明显变化，这一结果是合理的，但在方法上无法与PLA/PETG的研究相比较。

PLA 与 PETG 的 UV-C 数值来自 2021 年发表于《Polymers》的一组试验 [1]。打印试样在 254 nm、10 W/m² 条件下辐照 24 小时，背板温度为 50 °C；随后试样在室温下冷却四小时，再进行拉伸与压缩试验。该论文将 Opsytec Dr. Gröbel 的紫外辐照箱 BS-02 列为所使用的辐照设备。

此类数值能否移用于贵公司自身的应用，取决于两点。第一，它们指的是样品位置处的实测辐照度以及由此得出的剂量，而非设备的设定值——没有测量，辐照条件之间就无法比较。第二，它们适用于具有确定层厚、取向和填充的试样；壁厚、填充率和颜色颜料会显著改变结果。因此，凡需证明某一具体零件紫外耐受性的，都应在自身的装置中进行试验：紫外辐照箱提供可重现的边界条件，相关标准与指南则给出试验条件的框架。

• 长期户外使用且紫外线照射强度高：建议优先选用ASA。
• 短时或反复进行的紫外-C消毒周期（以小时为量级）：在目前唯一可用的对比研究中，PLA的机械性能损失小于标准PETG。
• ASA在紫外-C下的表现：目前仍缺乏与PLA和PETG方法可比的数据。对于安全相关部件，建议您自行进行测试，例如在紫外-C辐照箱中进行。
• TPU：仅在添加紫外稳定剂的情况下，方可用于户外及紫外应用。

并非通过打印成型、而是通过粘接或灌封制成的部件，有其自身的边界条件；相关内容请参见紫外固化胶粘剂、涂料及灌封材料。

1. Amza CG, Zapciu A, Baciu F, Vasile MI, Popescu D: 紫外C（UV-C）杀菌辐射下3D打印聚合物的老化. Polymers 13(24):4467, 2021.
2. Spectrum Filaments: 解读ASA 275——适合户外使用的正确耗材.
3. Wang A, Guo J, Shao C, Chen C: 用于熔融沉积成型（FDM）3D打印的耐紫外线柔性热塑性聚氨酯复合材料. 3D Printing and Additive Manufacturing, 2024.
4. Makelab: PETG与ASA对比.
5. Noltewerk: PETG紫外线技术数据表（PDF）。
6. Forge Labs: ASA材料性能.
7. Habr: 3D打印材料122天紫外线对比测试.
8. Teska P (NIST): UV-C照射对常见医疗聚合物表面造成的损伤（PDF）。

编辑状态：2026年9月3日。

印刷件能否经受其使用地点的紫外线辐照，只有通过限定辐照条件并测量剂量的测试才能得出答案。我司为此提供相应的测量技术：用于实验室中可重复老化测试的紫外辐照箱，例如BS-02，以及用于在样品本身处测量光谱、辐照度和剂量的UVpad 光谱辐射计和辐射计 RMD Pro。欢迎您向我们咨询。