2023年3月16日，《北京日報》“京韻周刊·領(lǐng)創(chuàng )”專(zhuān)欄以《紙藝春秋》為題，刊發(fā)保利中輕所屬中國制漿造紙研究院研究開(kāi)發(fā)部副主任、包裝研發(fā)中心主任張紅杰及其團隊，為打破國外對制漿造紙助劑的壟斷，持續研發(fā)植物纖維基綠色環(huán)保材料，助力繪就綠水青山的故事。與大家分享——

紙藝春秋

塑身薄如翼，潑墨弄丹青。

利用樹(shù)皮、麻頭、魚(yú)網(wǎng)等原料，經(jīng)過(guò)挫、搗、抄、烘等工藝，制出可供書(shū)寫(xiě)的紙張，這是我國古代的四大發(fā)明之一——造紙術(shù)。特別是經(jīng)東漢蔡倫改良后，紙的質(zhì)量和產(chǎn)量有了大幅提升，人類(lèi)書(shū)寫(xiě)材料史迎來(lái)了重要變革。

數千年間，人類(lèi)文明借助紙張得以廣泛傳播。但當造紙技術(shù)逐漸走向工業(yè)化、現代化，作為造紙術(shù)發(fā)源地的中國，發(fā)展的腳步卻逐漸滯后。在很長(cháng)一段時(shí)間里，我國不論是在造紙工業(yè)的體量還是技術(shù)上，與歐美發(fā)達國家相比都有著(zhù)明顯的差距。

為打破國外對制漿造紙助劑的壟斷，20多年來(lái)，中國制漿造紙研究院有限公司研究開(kāi)發(fā)部副主任、包裝材料研發(fā)中心主任張紅杰持續探索，并研發(fā)植物纖維基綠色環(huán)保材料，助力繪就綠水青山。

一紙千載技更新

在日常生活中，紙無(wú)處不在。讀書(shū)看報、寫(xiě)字作畫(huà)自不必說(shuō)，大量的日用品也都是以紙為原料制作。不過(guò)，國人對造紙的認識，似乎大多仍停留在蔡倫造紙的歷史認知上。

1996年，張紅杰考上山東輕工業(yè)學(xué)院（現齊魯工業(yè)大學(xué)）制漿造紙工程專(zhuān)業(yè)。在對這個(gè)專(zhuān)業(yè)進(jìn)行了全面、系統學(xué)習后，他才意識到，我國的傳統造紙術(shù)是經(jīng)過(guò)一代代匠人實(shí)踐、總結、傳承的工藝，而現代制漿造紙技術(shù)的背后，有著(zhù)豐富的理論基礎和技術(shù)規范。“從蔡倫發(fā)明造紙術(shù)到現在的制漿造紙專(zhuān)業(yè)，雖然說(shuō)從工藝原理上變化不是很大，但每個(gè)步驟都更加細化和規范，最終形成了一套現代的制漿造紙知識體系。”

制漿、造紙，是現代造紙工業(yè)的兩個(gè)重要步驟。將植物纖維原料通過(guò)機械或者化學(xué)的方法制成長(cháng)短不一的單根纖維，再加入功能助劑調制成纖維的水懸浮液，然后利用網(wǎng)面濾去水分，留下纖維網(wǎng)絡(luò )成型，經(jīng)過(guò)壓榨、干燥后便成了紙張。從無(wú)機化學(xué)、有機化學(xué)到植物纖維化學(xué)、膠體化學(xué)，從材料理論到制漿造紙工程，張紅杰逐漸窺探到了造紙的關(guān)鍵——一根根細至毫米級的植物纖維的種類(lèi)、長(cháng)度、形貌，決定著(zhù)紙張最終呈現的性能。

彼時(shí)，我國的造紙產(chǎn)業(yè)雖然已經(jīng)開(kāi)始快速發(fā)展，但仍以“小作坊”式的紙廠(chǎng)居多，規模甚至比不上國際大型造紙廠(chǎng)一條生產(chǎn)線(xiàn)的產(chǎn)量，并且產(chǎn)品種類(lèi)相對單一，發(fā)展更依靠“量”而非“質(zhì)”。“現在回憶那時(shí)候常見(jiàn)的印刷品，用的紙大多粗糙、泛黃，寫(xiě)字也容易洇墨。這背后其實(shí)體現的是制漿、漂白、施膠等一系列工藝的落后。”張紅杰說(shuō)。

在攻讀碩士研究生期間，張紅杰師從天津科技大學(xué)教授胡惠仁，對制漿造紙領(lǐng)域的一項重要輔料——造紙助留劑陽(yáng)離子聚丙烯酰胺展開(kāi)了研究，“這種化學(xué)成分在生產(chǎn)中使用的量雖然不多，但作用很大，相當于‘工業(yè)味精’。”它主要是發(fā)揮吸附、架橋等作用，讓更多細小的纖維和填料盡可能保留在網(wǎng)面上，不會(huì )隨著(zhù)水流被濾出，從而改善紙頁(yè)質(zhì)量，降低造紙過(guò)程中的原料損耗。

當時(shí)，這類(lèi)產(chǎn)品在國內還是一片空白，必須依靠進(jìn)口。“現在說(shuō)起來(lái)，這也算是當時(shí)的‘卡脖子’技術(shù)，因為國內做不好，國外供應商就能隨意提價(jià)。”張紅杰說(shuō)，在2000年前后，一噸陽(yáng)離子聚丙烯酰胺就要賣(mài)到4萬(wàn)至6萬(wàn)元。由于聚丙烯酰胺產(chǎn)品在石油領(lǐng)域使用也很廣，當時(shí)大慶油田恰好引進(jìn)了一套先進(jìn)的水解法陰離子聚丙烯酰胺生產(chǎn)線(xiàn)，他便到油田下屬的聚合物廠(chǎng)里開(kāi)展了數年實(shí)驗研究。關(guān)于陽(yáng)離子聚丙烯酰胺的工業(yè)化生產(chǎn)，當時(shí)國內可供參考的經(jīng)驗不多，遇到合成方面難以突破的問(wèn)題，張紅杰便在學(xué)校、實(shí)驗室兩地奔波，查詢(xún)高分子合成、水處理助劑等其他領(lǐng)域的相關(guān)論文資料，借鑒思路并加以改進(jìn)。

造紙過(guò)程中，容易流失的細小組分尺寸大多在200目以下。向紙料懸浮液中加入陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺后，它的電荷和分子鏈能將紙料中的細小成分吸附在自己身邊，形成稍大的絮狀物。細小成分保留在紙頁(yè)的纖維網(wǎng)絡(luò )中，不僅能降低成本，還可以改善紙頁(yè)的表面性能。

“這種研究沒(méi)有捷徑，就是要反復嘗試，優(yōu)化不同組分的配比和生產(chǎn)流程。”通過(guò)上百次小劑量的實(shí)驗，張紅杰所在的研發(fā)團隊系統突破了單體純度、重金屬含量、聚合引發(fā)體系等關(guān)鍵技術(shù)。但要讓創(chuàng )新技術(shù)走出實(shí)驗室，實(shí)現工業(yè)級生產(chǎn)，必須完成放大試驗。“在實(shí)驗室，我們曾一次性完成25公斤的產(chǎn)品生產(chǎn)，整個(gè)過(guò)程都很順利，但真的到工廠(chǎng)車(chē)間去嘗試，才發(fā)現理論和實(shí)踐之間有著(zhù)不小的距離。”

在1立方米容積的反應釜前，張紅杰?chē)L到了失敗的滋味。試驗當天，張紅杰向反應釜內加入各種原料和引發(fā)劑后，便信心滿(mǎn)滿(mǎn)地站在反應釜邊期待著(zhù)產(chǎn)品出爐。但原本幾小時(shí)就能完成的反應，張紅杰卻一直忙到了半夜。實(shí)驗室進(jìn)行小批量聚合時(shí)，產(chǎn)物能夠很快散熱，而在大尺寸反應釜中，內部產(chǎn)物的熱量無(wú)法快速散出，出現了“暴聚”現象。當他們終于將反應釜清理干凈時(shí)，已是月上中天。

“暴聚會(huì )讓產(chǎn)物內部聚合反應過(guò)快，最后生產(chǎn)出的產(chǎn)品外層是合格的，但內部就像是棉絮一樣，分子量上不去。”張紅杰連續嘗試了三次，均以失敗告終，“工業(yè)級放大試驗出現的問(wèn)題，確實(shí)超出了自己當時(shí)的知識架構。”

后續，張紅杰所在的研發(fā)團隊又經(jīng)過(guò)幾年的努力，指導企業(yè)對生產(chǎn)裝置加裝了冷卻管路和切割裝置，改進(jìn)工藝路線(xiàn)，最終才實(shí)現了陽(yáng)離子聚丙烯酰胺的量產(chǎn)。“我所做的工作其實(shí)也只是一小部分，后續的成果得益于團隊的共同努力。但也正是這次的經(jīng)歷讓我意識到，科研工作是一場(chǎng)漫長(cháng)的‘馬拉松’，要能坐得住‘冷板凳’?？蒲挟斎辉试S失敗，但必須得打破砂鍋問(wèn)到底，弄清失敗的原因。”

我國現代化造紙廠(chǎng)車(chē)間的生產(chǎn)線(xiàn)（受訪(fǎng)者供圖）

紙上得來(lái)終覺(jué)淺

2004年，張紅杰前往加拿大訪(fǎng)問(wèn)學(xué)習，這是他第一次近距離接觸國際上先進(jìn)的制漿造紙技術(shù)。在國內讀書(shū)期間，他已經(jīng)參與了不少科研項目，也去過(guò)一些造紙廠(chǎng)，但到加拿大當地的造紙廠(chǎng)參觀(guān)時(shí)，他仍然感到了深深的震撼。

“我們先不談技術(shù)上的差距，只看造紙廠(chǎng)的規模，國內就相差甚遠。”張紅杰不無(wú)感慨地回憶，走進(jìn)工廠(chǎng)的車(chē)間，碩大的造紙機轟鳴著(zhù)。站在車(chē)間里仰望，每臺造紙機的寬幅可達六七米，用于紙漿篩選的大篩鼓比人還要高出一頭多，相比之下，國內紙廠(chǎng)寬幅還不足三米的機器看起來(lái)就像是“玩具”。更讓他感受到?jīng)_擊的是，面前的這些造紙機已經(jīng)服役了幾十年。“上世紀70年代，他們就能擁有如此龐大體量的造紙機，并且能一直保持正常運轉，這樣的裝備規格和水平，當時(shí)在國內是難以想象的。”

這是實(shí)實(shí)在在的差距。國外企業(yè)的技術(shù)人員耐心地為張紅杰一行講解相關(guān)工藝——怎樣對紙漿纖維進(jìn)行多級篩選、如何在生產(chǎn)線(xiàn)上進(jìn)行工藝參數調試、如何分析實(shí)驗數據……張紅杰說(shuō)，對方是在向自己認真地傳授知識，但身處其中，心情卻是五味雜陳。“首先要承認差距，我們需要追趕。同時(shí)我也下定決心，盡快將國外好的技術(shù)引進(jìn)到國內，消化吸收并加以轉化。”

訪(fǎng)學(xué)期間，他圍繞制漿領(lǐng)域中化學(xué)機械漿的性能提升開(kāi)展了大量研究。而在實(shí)驗過(guò)程中，張紅杰因為一次“失誤”反而取得了一定突破，也讓當地的工程師對他豎起了大拇指——

一般情況下，為了保證實(shí)驗條件的潔凈，科研人員通常使用去離子水開(kāi)展實(shí)驗。但明明實(shí)驗操作都沒(méi)有問(wèn)題，張紅杰卻始終得不到理想的數據，反而是在一次操作中，他誤用了自來(lái)水，結果竟出乎意料的好。后續進(jìn)行的定量分析發(fā)現，水中的鈣鎂離子濃度會(huì )對熒光增白劑的應用效果產(chǎn)生顯著(zhù)影響，這一發(fā)現幫助當地造紙企業(yè)實(shí)現了技術(shù)突破。

在加拿大訪(fǎng)學(xué)的近三年間，張紅杰不斷學(xué)習和積累科研經(jīng)驗，并在結束訪(fǎng)學(xué)回國后，一直致力于提升國內的制漿造紙技術(shù)。但技術(shù)的移植可不是復制、粘貼這么簡(jiǎn)單，本土化是一個(gè)不低的門(mén)檻。2013年，張紅杰和幾位同事到湖南一家造紙企業(yè)進(jìn)行調控化學(xué)機械漿光學(xué)性能的生產(chǎn)線(xiàn)實(shí)驗，但將試劑加入生產(chǎn)線(xiàn)后，紙漿纖維的白度竟比之前更低了。

“一看化驗室的數據，我心里就咯噔一下。”站在車(chē)間里，張紅杰緊張得心跳加速，“為了支持實(shí)驗，工廠(chǎng)已經(jīng)購買(mǎi)了一大批化學(xué)助劑，我們絕對不能失敗。”冷靜下來(lái)后，他和現場(chǎng)的外籍專(zhuān)家都認為從理論上考慮，這種意外不可能出現。于是，他們和車(chē)間工程師一起逆向溯源，終于發(fā)現問(wèn)題出在工廠(chǎng)使用的其他助劑上。當對生產(chǎn)流水線(xiàn)加以調整，盡量隔離不同助劑的加入點(diǎn)，為助劑留出充分的反應時(shí)間后，問(wèn)題迎刃而解。

“真的是長(cháng)舒一口氣。那個(gè)場(chǎng)景我永遠也忘不了，這份責任太大了。”張紅杰將這一經(jīng)歷銘刻在心，但這種能夠為企業(yè)解決實(shí)際問(wèn)題的收獲感，也讓他著(zhù)迷。

到造紙企業(yè)進(jìn)行技術(shù)指導與交流，是張紅杰的日常。而造紙企業(yè)通常地處偏遠，如果碰到技術(shù)難題，在工廠(chǎng)一住就是好幾天。但在他看來(lái)，工科專(zhuān)業(yè)離不開(kāi)實(shí)踐認知，從實(shí)驗室走到工廠(chǎng)中，才能讓科研人員對自己所學(xué)的理論知識產(chǎn)生感性認識。為此，在天津科技大學(xué)任教的13年間，他從不放過(guò)任何一個(gè)帶領(lǐng)學(xué)生赴工廠(chǎng)實(shí)習的機會(huì )。“只有親眼看過(guò)制漿、造紙的裝備，親自動(dòng)手操作生產(chǎn)實(shí)踐中的每一個(gè)環(huán)節，才能真正理解書(shū)本上的知識。”

也正是秉持著(zhù)這一理念，2019年，張紅杰離開(kāi)了天津科技大學(xué)，進(jìn)京加入中國制漿造紙研究院，將多年積累的科研成果推向生產(chǎn)一線(xiàn)。“高校和研究院的研究方向還是存在差別的，從我的角度，更希望做一些技術(shù)開(kāi)發(fā)工作，為本領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步服務(wù)。一項新的技術(shù)真正利國利民，離不開(kāi)企業(yè)的接納和市場(chǎng)推廣。”

藝紙織卷繪青山

提起造紙行業(yè)，公眾的第一印象便是高污染。這個(gè)標簽，其實(shí)源于早年間我國造紙行業(yè)產(chǎn)能分散、工藝粗放的發(fā)展階段。“小作坊”式的造紙工廠(chǎng)一味追求經(jīng)濟效益，不愿也無(wú)力對所產(chǎn)生的廢水進(jìn)行處理，直接排放到自然界，造成了環(huán)境污染。

“現代化的造紙工業(yè)絕不允許這種行為，我們現在到現代化造紙廠(chǎng)參觀(guān)，真正的造紙生產(chǎn)線(xiàn)其實(shí)只占廠(chǎng)區的一小部分，其他部分更像是一個(gè)小型化工廠(chǎng)和一座污水處理廠(chǎng)的綜合體。”在中國制漿造紙研究院的實(shí)驗室里，擺放著(zhù)一組沙盤(pán)，直觀(guān)展現了造紙廢水的三級處理體系。張紅杰說(shuō)，現代的造紙業(yè)需要實(shí)現規模效益，而水的處理和循環(huán)能極大降低工廠(chǎng)的運行成本。“造紙在不同環(huán)節也需要不斷補充新鮮水，在工廠(chǎng)內實(shí)現水循環(huán)是剛需，你真要讓造紙廠(chǎng)把水排走，他還真舍不得。”

綠水青山就是金山銀山。隨著(zhù)我國限塑、禁塑政策的不斷推進(jìn)，張紅杰早已開(kāi)始了對植物纖維基綠色環(huán)保材料的探索。“我其實(shí)不太提倡‘以紙代塑’的說(shuō)法，其本質(zhì)應該是不同的材料怎樣協(xié)調地應用?，F在外賣(mài)領(lǐng)域的紙餐具已經(jīng)不少見(jiàn)了，這里的‘紙’其實(shí)是一種廣義的范疇，以植物纖維作為原材料，制造出不同功能的產(chǎn)品，能更好地滿(mǎn)足環(huán)保的需要。”

近三年來(lái)，張紅杰牽頭在中國制漿造紙研究院組建起包裝材料研發(fā)中心，圍繞植物纖維基可降解材料的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展了一系列應用基礎研究。

紙漿模塑包裝材料便是當下的研究熱點(diǎn)之一。在張紅杰的辦公室里，擺放著(zhù)大大小小的紙漿模塑樣品，摸起來(lái)與塑料的手感并無(wú)二致的紙瓶，就是由紙漿模塑技術(shù)制成的，這也意味著(zhù)它可以完全被降解。而在日常生活中，電子產(chǎn)品、化妝品等的內襯包裝也已經(jīng)用上了紙漿模塑產(chǎn)品。

不過(guò)，植物纖維對溫度、濕度比較敏感，張紅杰曾接到一個(gè)紙漿模塑企業(yè)的求助，原本出廠(chǎng)時(shí)合格的包裝產(chǎn)品，運到客戶(hù)手中時(shí)，由于途中吸潮發(fā)生形變，尺寸變大了100多微米。憑借對紙漿纖維的深入理解，張紅杰迅速意識到問(wèn)題出在原料的前處理環(huán)節，工廠(chǎng)對纖維原料的預處理沒(méi)到位，也沒(méi)有考慮加入相應的化學(xué)助劑，最終產(chǎn)品的成型就受到了影響。經(jīng)過(guò)大半年的研究，張紅杰團隊為這家企業(yè)優(yōu)化出適宜的原料配比和化學(xué)助劑，讓產(chǎn)品擁有了優(yōu)良的形穩性。

樣品中最常見(jiàn)的便是餐盒包裝，中餐高溫、重油的特點(diǎn)似乎與紙的特性毫不兼容，植物纖維制成的材料內部必然存在大量孔隙。張紅杰和團隊努力的目標，便是解決紙基包裝材料普遍存在的阻隔性問(wèn)題。“防水、防油、阻氣，針對不同的阻隔對象，具體阻隔的原理各不相同，總之‘兵來(lái)將擋、水來(lái)土掩’。”在與外賣(mài)企業(yè)聯(lián)合開(kāi)展的“青山計劃”中，張紅杰和團隊已經(jīng)完成了蛋糕、輕食等幾個(gè)大類(lèi)的外賣(mài)餐食紙基包裝材料的開(kāi)發(fā)指導，調控出優(yōu)良的疏水疏油性能，并正在加緊開(kāi)發(fā)無(wú)氟防油技術(shù)。

從“以量取勝”到綠色環(huán)保，張紅杰與我國制漿造紙行業(yè)一同成長(cháng)?，F在，我國的造紙企業(yè)已經(jīng)擁有了最先進(jìn)的現代化制漿造紙設備，“紙”也已經(jīng)變幻出了各種難以想象的形態(tài)。特高壓變壓器中有用于絕緣的絕緣紙，超級電容器里有紙基隔膜材料超級電容器紙，汽車(chē)變速箱里有纖維基密封材料，C919大飛機艙面的支撐體則是芳綸蜂窩紙材質(zhì)……

“我國是造紙技術(shù)的發(fā)源地，近年來(lái)，制漿造紙行業(yè)的發(fā)展也非常迅速，逐漸追趕上國外現代造紙工業(yè)的步伐。期待通過(guò)我們造紙從業(yè)者的努力，讓中國的制漿造紙技術(shù)再次走向世界。”張紅杰說(shuō)，未來(lái)他還將繼續致力于綠色包裝材料的新技術(shù)和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)研究，為我國“雙碳”戰略目標的實(shí)現貢獻力量。