冷熱沖擊試驗箱(Thermal Shock Chamber)依靠高速切換的 −70 ℃~+200 ℃硅油或空氣載熱介質,在 10 s 內完成試件溫度的劇烈變化,從而評估材料因熱脹冷縮引起的界面開裂、焊點疲勞及密封失效。然而,并非所有材料均適合此類極限工況。某些化學品在劇烈溫差或密閉腔體中可能因相變、自分解或靜電積聚而導致爆炸、燃燒或劇毒氣體釋放。本文依據 GB/T 2423.22、IEC 60068-2-14、UN 38.3、IATA DGR 及《危險化學品目錄(2022 版)》,系統梳理“禁用材料分類表”,為實驗室安全準入提供可執行的技術依據。
二、禁用原則
爆炸性:任何在 ≤200 ℃ 或 ≥−70 ℃ 范圍內可發生自分解并瞬時釋放大量氣體的物質;
易燃性:閉杯閃點 ≤60 ℃ 或自燃點 ≤200 ℃ 的液體、氣體及固體;
可燃性:雖不易自燃,但在快速溫變導致的應力集中或靜電放電條件下可發生持續燃燒;
強氧化性:與有機材料混合后,形成爆炸性混合物或加速分解;
放射性、腐蝕性、生物活性等其他法律明令禁止運輸或儲存的物質。
三、詳細分類與示例
3.1 爆炸性物質
3.1.1 硝酸酯類
硝化甘油(NG)、硝化甘醇(DEGN)、硝化纖維素(NC,含氮量 ≥12.5 %)在 50 ℃ 以上開始自催化分解,二次升溫可在 150 ℃ 瞬間釋放 8000 m/s 爆速沖擊波,遠超冷熱沖擊箱壁 2 mm 不銹鋼板的動態承載極限。
3.1.2 硝基化合物
三硝基甲苯(TNT)、三硝基苯酚(苦味酸)、三硝基間苯二酚(收斂酸)等,熔點 80–122 ℃,恰與高溫區重疊,熔融態對摩擦、靜電極度敏感。
3.1.3 疊氮與過氯酸鹽
疊氮化鈉、高氯酸銨(AP)常用于推進劑,分解溫度 150 ℃ 左右,釋放 N₂、O₂ 混合氣體,腔體壓力可在 0.2 s 內升至 1 MPa 以上,導致密封條爆裂。
3.2 易燃類物質(按閉杯閃點分級)
① 閃點 >30 ℃:煤油、柴油、松節油、異戊醇、醋酸戊酯;
② 閃點 0–30 ℃:乙醇、正丁醇、二甲醚、乙酸乙酯;
③ 閃點 −30–0 ℃:乙烷、乙烯、丙酮、苯、甲基乙基酮;
④ 閃點 <−30 ℃:乙醚、汽油、乙醛、丙烯、二硫化碳;
⑤ 易燃氣體:15 ℃、1 atm 下可與空氣形成爆炸性混合物,爆炸下限 ≤13 %(體積分數),如氫氣、乙炔、乙烯、甲烷、丙烷、丁烷。
注:冷熱沖擊箱換氣速率僅 0.5–2 m/min,遠低于爆炸下限稀釋要求,微量泄漏即可形成可燃氛圍。
3.3 可燃性金屬與合金
鋰(Li)、鈉(Na)、鉀(K)在 −70 ℃ 仍保持延展性,快速升溫至 180 ℃ 時表面氧化膜破裂,與硅油揮發物或 CO₂ 滅火劑接觸可發生劇烈燃燒;
鎂(Mg)、鋁(Al)粉末粒徑 <200 目時,最小點火能量 ≤15 mJ,靜電易積聚于塑料托盤;
碳化鈣(CaC₂)遇濕氣產生乙炔,乙炔在低溫區凝華,升溫后瞬間氣化,壓力驟增。
3.4 強氧化劑
氯酸鹽:氯酸鉀(KClO₃)、氯酸鈉(NaClO₃);
次氯酸鹽:次氯酸鈣、次氯酸鈉;
過氧酸鹽:過硫酸鉀、過硫酸銨;
無機過氧化物:過氧化鉀、過氧化鈉、過氧化鋇。
上述物質在 150 ℃ 左右分解出原子氧,與硅油、氟橡膠密封圈接觸可自燃,并釋放有毒 Cl₂、SO₂。
3.5 其他限制類
放射性材料:超過 1 × 10⁴ Bq/kg 的鈾、釷化合物;
生物活性:病毒載體、疫苗原液,在 −70 ℃ 玻璃化轉變點易破裂,產生氣溶膠污染;
強酸強堿:氫氟酸、發煙硫酸,對不銹鋼 304/316L 年腐蝕速率 >0.5 mm,破壞箱體結構完整性。
四、合規性依據
GB 30000.2-2013 化學品分類與標簽規范 第2部分:爆炸物;
GB 20581-2006 化學品分類 易燃液體;
IATA Dangerous Goods Regulations 64th Edition;
UN Manual of Tests and Criteria, Part I, Test 3(c) 溫度循環;
《危險化學品目錄(2022 版)》應急管理部公告。
五、替代檢測方案
5.1 對于必須考核的鋰電池模組,可依據 UN 38.3 T.6 沖擊/溫度試驗,改用 −40 ℃~+75 ℃ 空氣-空氣循環箱,速率 ≤1 ℃/min,避免熱沖擊。
5.2 含易燃電解質的樣品,先通過有限樣品量(<100 mL)在防爆冰箱中完成 −40 ℃ 冷凍,再轉入普通溫箱進行梯度升溫,全程置于防爆通風櫥內。
5.3 金屬粉體材料,采用氬氣保護下的熱機械分析儀(TMA),升溫速率 5 ℃/min,同步記錄膨脹系數,替代冷熱沖擊的應力模擬。
六、實驗室管理建議
6.1 建立“材料準入審批表”,由安全、技術、設備三方聯合簽字;
6.2 在試驗箱門口張貼 NFPA 704 四色警示標識,閃點 <23 ℃ 的材料一律拒絕;
6.3 每半年委托第三方對箱內殘留氣體進行 VOC 與可燃氣體檢測,出具報告存檔;
6.4 制定應急預案:配置 D 類干粉滅火劑(適用于金屬火)、CO₂ 滅火系統(適用于電氣火),并保證 30 s 內可開啟強排風閥,換氣量 ≥12 次/h。
冷熱沖擊試驗箱的核心價值在于“快速、重復、可控”。任何具備爆炸、易燃、可燃或強氧化特性的材料,一旦引入腔體,均可能因溫度梯度過大、靜電積聚或分解釋氧而引發級聯事故。嚴格執行上述禁用清單,并輔以替代試驗方案和實驗室安全管理,可確保設備完好、人員安全及數據有效,真正實現“極限溫度、安全先行”的目標。
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