自热食品发热包航空运输危险性研究

韩一秀，宋爱东，汤强生，李宏谱，王 航

（1.中国民用航空局第二研究所，成都 610041；2.中国民用航空局运输司，北京 100710）

自热食品作为新型方便食品因具有安全、卫生、便捷等优势而受到消费者的青睐，成为人们旅行和野营等户外运动的必备品之一[1]。以“自热食品”为关键词在国内著名电商平台—京东网站搜索，计有6 500多个商品条目。航空运输由于具有高效、快捷的优势，成为畅销自热食品必然选择的运输方式。自热食品在航空运输的3 种形式—货物、交运行李和旅客随身携带的行李中均大量出现。

由于自热食品的发热包属于生产企业的商业秘密，其成分鲜有权威资料公开报道。根据使用经验，自热食品的发热包在遇水后能自动释放大量的热量，在自加热过程中同时会放出大量的不明气体[2]。如果大量的自热食品同时在客舱环境下使用，热量会迅速累积，在相对密封环境下释放大量不明气体与空气混合后存在爆燃隐患，危险性叠加的风险更加难以估计。以货物方式运输时不能正确操作和运输，导致的后果同样严重。随着科技不断进步和社会需求的发展，发热包的成分和加热效果也在不断改进和升级，因此急需对自热食品的发热包在航空运输中的安全隐患开展系统研究。

自热食品包含3 个主要组成部分：热源、激活剂和食品[3]。热源是由可产生热的各种化学原料组成的发热包，激活剂一般是水。与水混合后，发热包自动放热并将热量传递给食品，在较短的时间内就可以使食品升温，使之恢复原有的风味和口感。以市面上畅销的2 种自热食品的发热包为例，分别对发热包成分开展分析研究、对危险性进行检验，对自加热原理进行解析，进而实现对其航空运输危险性进行全面识别的目的。

1 材料与设备

1.1 材料

某品牌自热米饭（简称为A）和某品牌自热微火锅（简称为B）的发热包，发热包成分外观均为浅灰色固体粉末。

1.2 设备

发热包的组成分析数据由美国热电公司的IRIS1000 电感耦合等离子体发射光谱仪和英国KRATOS 公司的XSAM800 X 射线光电子能谱仪测试；危险性检测由北京恒久科学仪器厂的HSC-1 差示扫描量热仪，以及杭州仰仪科技有限公司的固体燃烧速率试验仪、自热物质试验仪和氧化性固体试验仪共同测试。

1.3 研究方法和环境

所有危险性检测的方法和环境要求均遵循联合国标准《关于危险货物运输的建议书——试验和标准手册》（以下简称《试验和标准手册》）[4]。

2 实验、结果与分析

2.1 发热包成分分析测试

利用仪器分析手段对2 个品牌的发热包进行成分剖析，对发热包内的化学样品进行了X 射线光电子能谱分析（XPS,X-ray photoelectron spectroscopy）和电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES,inductively coupled plasma atomic emission spectrometry）表征测试。XPS 主要侧重于全部元素的定性表征，ICP-AES 是针对金属元素的定性和定量测试表征。XPS 测试结果显示2 种发热包的主要元素成分均包括：碳、钠、氧、钙和铝。ICP-AES 测试出的4 种金属含量如表1 所示。由成分分析结果来看，2 种发热包的元素成分和含量均较为接近。该测试结果是剖析发热包成分的重要依据。

表1 ICP-AES 表征的2 种发热包成分及含量Tab.1 ICP-AES characterization results of self-heating bag A&B wt%

2.2 危险性识别试验

根据联合国《关于危险货物运输的建议书—规章范本》（以下简称《规章范本》），样品性状是浅灰色固体粉末，由物理状态排除气体和液体所具有的危险性类别，需要考察的危险性类别为：1 类爆炸性、4.1 项易燃固体、4.2 项自发火和自热物质、4.3 项遇水放出易燃气体，5 类氧化性物质、6 类毒性/感染性、7 类放射性、8 类腐蚀性物质。

2.2.1 爆炸性检验

《规章范本》提出可以采用量热法对物质的爆炸性进行初步筛分。《试验和标准手册》规定，有机物质满足以下条件可以排除其爆炸性：①分解热少于800 J/g；②分子里无与爆炸性相关的原子团；③含爆炸性的含氧原子团，氧平衡少于-200；④含有爆炸性原子团但分解热低于500 J/g，放热起始温度低于500 ℃；⑤5.1 项无机氧化性物质与有机物质的混合物满足一定的浓度比例要求。

采用差示扫描量热仪（DSC）测试2 种发热包的热稳定性，2 种发热包成分的DSC 图谱如图1 和图2所示。

图1 A 发热包化学成分DSC 图Fig.1 Chemical component DSC spectrum of self-heating bag A

图2 B 发热包化学成分DSC 图Fig.2 Chemical component DSC spectrum of self-heating bag B

测试结果显示，2 种发热包在20～550 ℃的范围内样品均只有1 个吸热峰，为了突出显示只展示了有峰的谱图部分。2 个发热包的热分析结果较为类似，A 发热包反应焓为108.4 J/g，起始反应温度为413.3 ℃；B发热包反应焓为179.3 J/g，起始反应温度为408.6 ℃。根据DSC 的测试结果初步排除2 种样品的爆炸性。

2.2.2 易燃固体危险性检验

根据《试验和标准手册》33.2.1.4 试验N.1 的试验程序，对样品进行4.1 项易燃固体危险性测试，该试验程序包括2 个步骤：初步甄别试验和燃烧速率试验。利用标准模具将样品制作成长为250 mm，宽为20 mm，高为10 mm 的粉带，用温度不低于1 000 ℃的加热棒引燃样品粉带，如果物质不能在2 min（或金属粉为5 min）试验时间内点燃，并在2 min（或金属粉为20 min）沿着粉带带着火焰或烟燃烧200 mm，那么该物质不应划为易燃固体，并不需要进一步的固体燃烧速率试验[4]。初步甄别试验结果显示，A、B 样品的堆垛在5 min 内均不能被点燃，燃烧现象如图3 所示，表明样品没有通过易燃性固体初筛试验，不需要继续燃烧速率试验，直接排除4.1 项易燃固体危险性。

图3 易燃固体初步甄别试验Fig.3 Primary test of flammable solid

2.2.3 自发火和自热性的危险性检验

根据样品在常温下的稳定放置情况判断该样品不属于自发火物质。依据《试验和标准手册》33.3.1.6试验N.4 使用自热物质试验仪对边长为100 mm 立方体的试样在140 ℃下加热24 h，以测试样品是否具有自热危险性。如果100 mm 立方体的试样在140 ℃下没有出现危险的自热，则该物质不是4.2 项自热物质。试验结果显示在试验过程中，2 个样品均未发生危险性的自热现象，既没有出现自燃也没有出现试样温度比烘箱温度高60 ℃的现象，表明样品不属于自热物质。

2.2.4 遇水放出易燃气体的危险性检验

根据联合国《试验和标准手册》33.4.1.4 试验N.5进行4.3 项遇水放出易燃气体的危险性试验，A、B 发热包各自的3 次平均最大气体释放瞬时速率分别为27.06 L/（kg·min）和25.37 L/（kg·min）。经过点火试验验证释放出的气体是易燃气体。根据分类标准，任何物质如果在环境温度下遇水起激烈反应，并放出易燃气体，释放易燃气体的速度大于等于10 L/（kg·min），应划为I 级包装。由此判断，样品属于4.3 项遇水放出易燃气体物质，包装等级为I 级包装。

为了更直观展示样品遇水反应的危险性，对样品进行遇水反应后的点燃演示试验。将5 g 样品倒入烧杯中与少量水混合，混合后样品与水迅速剧烈反应，反应放出大量的热，烧杯壁温度快速升高，烧杯中灰白色的混合液体很快进入沸腾状态。反应过程中有大量气泡冒出，释放出的气体无色无味，用点火枪在烧杯口将气体点燃，燃烧持续较长时间。反应及燃烧现象如图4 所示。

图4 样品遇水反应后产生的易燃气体燃烧试验Fig.4 Flammable gas combustion experiment in contact with water

2.2.5 氧化性的检验

依据《试验和标准手册》34.4.1 试验O.1 进行氧化性检测，任何物质以样品对纤维素的质量比为1 ∶1 和4 ∶1 进行试验，若都不发火燃烧则该物质不属于5.1项。按照标准规定对参考物质纤维素以及样品进行预处理后开始试验，2 种样品与干纤维素质量比例为1 ∶1和4 ∶1 混合试验时，均不发火且不燃烧。试验结果表明2 种发热包均不属于氧化性物质，试验过程的展示图片如图5 所示。

图5 氧化性判定试验Fig.5 Oxidizing determination experiment

2.3 结果分析

2.3.1 发热原理分析

结合发热包样品的元素成分结果、发热的工作过程特征以及烧杯试验结果进行分析，样品中的主要成分应为：碳粉、Na2CO3、CaO、Al，进而推测发热包的工作原理为：发热包遇水发生如下（1）、（2）和（3）的化学反应，其中，反应（1）和（3）都放出大量的热，满足发热包的功能性要求。氢气由反应（3）产生。

2.3.2 危险性识别

根据样品的用途和主要成分的化学品安全技术说明书（MSDS），可以排除发热包的第6 类毒性/感染性和第7 类放射性。成分之一的CaO 具有腐蚀性，属于第8 类腐蚀性物质，III 级包装。根据国际民航组织《危险物品安全航空运输技术细则》[5]，尽管发热包成分中的铝粉为4.1 项易燃固体，但是由于其他组分的易燃程度不强，稀释了铝粉在混合物中的“浓度”，导致整个发热包易燃危险性降低。2.2.2 小节中的易燃固体危险性检验的试验结果证实样品不具有4.1 项易燃固体的危险性。发热包在进行发热工作时一旦与水混合，组分里的CaO 先和水反应生成Ca（OH）2。Ca（OH）2尽管是微溶于水，由于其能与Na2CO3发生复分解反应生成沉淀，所以会加速其溶解过程。该反应的产物NaOH在水溶液中能与Al 反应放出氢气，并生成NaAlO2。其中，NaOH 和NaAlO2都是腐蚀性物质。根据以上分析，尽管单质铝不属于4.3 项遇水放出易燃气体的物质，但是发热包的几种组分经过相互作用后，整个发热包属于4.3 项危险品。

综上所述，自热食品的发热包作为货物运输时具有多重危险性，主要危险性为4.3 项遇水放出易燃气体的物质，次要危险性为第8 类腐蚀性物质，包装等级为I 级。根据《危险品规则》的表3.10A、4.1A 和4.2综合判断，发热包的UN 编号和运输专用名称为：UN 3131 Water-reactive solid, corrosive, n.o.s. (aluminium,sodium carbonate and calcium oxide mixture)。

当自热食品作为旅客随身携带的行李被带上飞机时，在极端情况下，尤其是对于不提供免费餐的航空公司，若有大量旅客在相对较为集中的时间段内统一食用自热食品，就会有大量的氢气释放到密闭和空间狭小的客舱中，一旦达到氢气的闪爆极限，其危险性不堪设想。另外，由于发热包具有腐蚀性，发热包中的固体粉末与水混合后不慎撒到机上，将会对飞机造成腐蚀，进而影响飞机寿命和飞行安全。因此，自热食品作为随身携带行李在客舱环境的危险性也不容小觑。

3 结语

通过对市面上2 种畅销自热食品的发热包进行系统研究，发现2 种发热包具有类似的组成，发热包遇水后均发生剧烈化学反应，反应过程中放出大量的热，并释放出大量的易燃气体。结合试验结果和理论分析得出，发热包作为货物运输时具有4.3 项遇水放出易燃性气体的主要危险性和第8 类腐蚀性的次要危险性，必须以危险品的方式进行航空运输，包装等级为I 级。当自热食品以旅客随身携带行李的方式大量出现在客舱时，会造成易燃气体闪爆的安全风险。因此，自热食品在航空运输中无论以货物还是以行李形式存在，都属于需要重点关注的危险品。

该研究成果对帮助自发热类货物安全航空运输有重要意义。据此，托运人能够正确地包装和操作，承运人在国际标准上制定差异化的航空运输要求，地面安检人员能准确识别隐含的危险品。此外，研究成果对于提升中国民航的安保意识，避免被不法人员利用这一特性从事非法活动，进而威胁航空运输安全同样具有重要的意义。该成果还能给行业主管部门在编制和修订行业标准时以借鉴和参考。