2023年3月16日，《北京日報》“京韻周刊·領創(chuàng)”專欄以《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(xù)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。
利用樹皮、麻頭、魚網(wǎng)等原料，經(jīng)過挫、搗、抄、烘等工藝，制出可供書寫的紙張，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，人類書寫材料史迎來了重要變革。
數(shù)千年間，人類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(xiàn)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。在很長一段時間里，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)達國家相比都有著明顯的差距。
為打破國外對制漿造紙助劑的壟斷，20多年來，中國制漿造紙研究院有限公司研究開發(fā)部副主任、包裝材料研發(fā)中心主任張紅杰持續(xù)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，紙無處不在。讀書看報、寫字作畫自不必說，大量的日用品也都是以紙為原料制作。不過，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)學院（現(xiàn)齊魯工業(yè)大學）制漿造紙工程專業(yè)。在對這個專業(yè)進行了全面、系統(tǒng)學習后，他才意識到，我國的傳統(tǒng)造紙術(shù)是經(jīng)過一代代匠人實踐、總結(jié)、傳承的工藝，而現(xiàn)代制漿造紙技術(shù)的背后，有著豐富的理論基礎和技術(shù)規(guī)范。“從蔡倫發(fā)明造紙術(shù)到現(xiàn)在的制漿造紙專業(yè)，雖然說從工藝原理上變化不是很大，但每個步驟都更加細化和規(guī)范，最終形成了一套現(xiàn)代的制漿造紙知識體系。”
制漿、造紙，是現(xiàn)代造紙工業(yè)的兩個重要步驟。將植物纖維原料通過機械或者化學的方法制成長短不一的單根纖維，再加入功能助劑調(diào)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)絡成型，經(jīng)過壓榨、干燥后便成了紙張。從無機化學、有機化學到植物纖維化學、膠體化學，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鍵——一根根細至毫米級的植物纖維的種類、長度、形貌，決定著紙張最終呈現(xiàn)的性能。
彼時，我國的造紙產(chǎn)業(yè)雖然已經(jīng)開始快速發(fā)展，但仍以“小作坊”式的紙廠居多，規(guī)模甚至比不上國際大型造紙廠一條生產(chǎn)線的產(chǎn)量，并且產(chǎn)品種類相對單一，發(fā)展更依靠“量”而非“質(zhì)”。“現(xiàn)在回憶那時候常見的印刷品，用的紙大多粗糙、泛黃，寫字也容易洇墨。這背后其實體現(xiàn)的是制漿、漂白、施膠等一系列工藝的落后。”張紅杰說。
在攻讀碩士研究生期間，張紅杰師從天津科技大學教授胡惠仁，對制漿造紙領域的一項重要輔料——造紙助留劑陽離子聚丙烯酰胺展開了研究，“這種化學成分在生產(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，不會隨著水流被濾出，從而改善紙頁質(zhì)量，降低造紙過程中的原料損耗。
當時，這類產(chǎn)品在國內(nèi)還是一片空白，必須依靠進口。“現(xiàn)在說起來，這也算是當時的‘卡脖子’技術(shù)，因為國內(nèi)做不好，國外供應商就能隨意提價。”張紅杰說，在2000年前后，一噸陽離子聚丙烯酰胺就要賣到4萬至6萬元。由于聚丙烯酰胺產(chǎn)品在石油領域使用也很廣，當時大慶油田恰好引進了一套先進的水解法陰離子聚丙烯酰胺生產(chǎn)線，他便到油田下屬的聚合物廠里開展了數(shù)年實驗研究。關于陽離子聚丙烯酰胺的工業(yè)化生產(chǎn)，當時國內(nèi)可供參考的經(jīng)驗不多，遇到合成方面難以突破的問題，張紅杰便在學校、實驗室兩地奔波，查詢高分子合成、水處理助劑等其他領域的相關論文資料，借鑒思路并加以改進。
造紙過程中，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的纖維網(wǎng)絡中，不僅能降低成本，還可以改善紙頁的表面性能。
“這種研究沒有捷徑，就是要反復嘗試，優(yōu)化不同組分的配比和生產(chǎn)流程。”通過上百次小劑量的實驗，張紅杰所在的研發(fā)團隊系統(tǒng)突破了單體純度、重金屬含量、聚合引發(fā)體系等關鍵技術(shù)。但要讓創(chuàng)新技術(shù)走出實驗室，實現(xiàn)工業(yè)級生產(chǎn)，必須完成放大試驗。“在實驗室，我們曾一次性完成25公斤的產(chǎn)品生產(chǎn)，整個過程都很順利，但真的到工廠車間去嘗試，才發(fā)現(xiàn)理論和實踐之間有著不小的距離。”
在1立方米容積的反應釜前，張紅杰嘗到了失敗的滋味。試驗當天，張紅杰向反應釜內(nèi)加入各種原料和引發(fā)劑后，便信心滿滿地站在反應釜邊期待著產(chǎn)品出爐。但原本幾小時就能完成的反應，張紅杰卻一直忙到了半夜。實驗室進行小批量聚合時，產(chǎn)物能夠很快散熱，而在大尺寸反應釜中，內(nèi)部產(chǎn)物的熱量無法快速散出，出現(xiàn)了“暴聚”現(xiàn)象。當他們終于將反應釜清理干凈時，已是月上中天。
“暴聚會讓產(chǎn)物內(nèi)部聚合反應過快，最后生產(chǎn)出的產(chǎn)品外層是合格的，但內(nèi)部就像是棉絮一樣，分子量上不去。”張紅杰連續(xù)嘗試了三次，均以失敗告終，“工業(yè)級放大試驗出現(xiàn)的問題，確實超出了自己當時的知識架構(gòu)。”
后續(xù)，張紅杰所在的研發(fā)團隊又經(jīng)過幾年的努力，指導企業(yè)對生產(chǎn)裝置加裝了冷卻管路和切割裝置，改進工藝路線，最終才實現(xiàn)了陽離子聚丙烯酰胺的量產(chǎn)。“我所做的工作其實也只是一小部分，后續(xù)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，科研工作是一場漫長的‘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到底，弄清失敗的原因。”
我國現(xiàn)代化造紙廠車間的生產(chǎn)線（受訪者供圖）
紙上得來終覺淺
2004年，張紅杰前往加拿大訪問學習，這是他第一次近距離接觸國際上先進的制漿造紙技術(shù)。在國內(nèi)讀書期間，他已經(jīng)參與了不少科研項目，也去過一些造紙廠，但到加拿大當?shù)氐脑旒垙S參觀時，他仍然感到了深深的震撼。
“我們先不談技術(shù)上的差距，只看造紙廠的規(guī)模，國內(nèi)就相差甚遠。”張紅杰不無感慨地回憶，走進工廠的車間，碩大的造紙機轟鳴著。站在車間里仰望，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(nèi)紙廠寬幅還不足三米的機器看起來就像是“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(zhuǎn)，這樣的裝備規(guī)格和水平，當時在國內(nèi)是難以想象的。”
這是實實在在的差距。國外企業(yè)的技術(shù)人員耐心地為張紅杰一行講解相關工藝——怎樣對紙漿纖維進行多級篩選、如何在生產(chǎn)線上進行工藝參數(shù)調(diào)試、如何分析實驗數(shù)據(jù)……張紅杰說，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。同時我也下定決心，盡快將國外好的技術(shù)引進到國內(nèi)，消化吸收并加以轉(zhuǎn)化。”
訪學期間，他圍繞制漿領域中化學機械漿的性能提升開展了大量研究。而在實驗過程中，張紅杰因為一次“失誤”反而取得了一定突破，也讓當?shù)氐墓こ處煂λQ起了大拇指——
一般情況下，為了保證實驗條件的潔凈，科研人員通常使用去離子水開展實驗。但明明實驗操作都沒有問題，張紅杰卻始終得不到理想的數(shù)據(jù)，反而是在一次操作中，他誤用了自來水，結(jié)果竟出乎意料的好。后續(xù)進行的定量分析發(fā)現(xiàn)，水中的鈣鎂離子濃度會對熒光增白劑的應用效果產(chǎn)生顯著影響，這一發(fā)現(xiàn)幫助當?shù)卦旒埰髽I(yè)實現(xiàn)了技術(shù)突破。
在加拿大訪學的近三年間，張紅杰不斷學習和積累科研經(jīng)驗，并在結(jié)束訪學回國后，一直致力于提升國內(nèi)的制漿造紙技術(shù)。但技術(shù)的移植可不是復制、粘貼這么簡單，本土化是一個不低的門檻。2013年，張紅杰和幾位同事到湖南一家造紙企業(yè)進行調(diào)控化學機械漿光學性能的生產(chǎn)線實驗，但將試劑加入生產(chǎn)線后，紙漿纖維的白度竟比之前更低了。
“一看化驗室的數(shù)據(jù)，我心里就咯噔一下。”站在車間里，張紅杰緊張得心跳加速，“為了支持實驗，工廠已經(jīng)購買了一大批化學助劑，我們絕對不能失敗。”冷靜下來后，他和現(xiàn)場的外籍專家都認為從理論上考慮，這種意外不可能出現(xiàn)。于是，他們和車間工程師一起逆向溯源，終于發(fā)現(xiàn)問題出在工廠使用的其他助劑上。當對生產(chǎn)流水線加以調(diào)整，盡量隔離不同助劑的加入點，為助劑留出充分的反應時間后，問題迎刃而解。
“真的是長舒一口氣。那個場景我永遠也忘不了，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)解決實際問題的收獲感，也讓他著迷。
到造紙企業(yè)進行技術(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，在工廠一住就是好幾天。但在他看來，工科專業(yè)離不開實踐認知，從實驗室走到工廠中，才能讓科研人員對自己所學的理論知識產(chǎn)生感性認識。為此，在天津科技大學任教的13年間，他從不放過任何一個帶領學生赴工廠實習的機會。“只有親眼看過制漿、造紙的裝備，親自動手操作生產(chǎn)實踐中的每一個環(huán)節(jié)，才能真正理解書本上的知識。”
也正是秉持著這一理念，2019年，張紅杰離開了天津科技大學，進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。“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)開發(fā)工作，為本領域的技術(shù)進步服務。一項新的技術(shù)真正利國利民，離不開企業(yè)的接納和市場推廣。”
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。這個標簽，其實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”式的造紙工廠一味追求經(jīng)濟效益，不愿也無力對所產(chǎn)生的廢水進行處理，直接排放到自然界，造成了環(huán)境污染。
“現(xiàn)代化的造紙工業(yè)絕不允許這種行為，我們現(xiàn)在到現(xiàn)代化造紙廠參觀，真正的造紙生產(chǎn)線其實只占廠區(qū)的一小部分，其他部分更像是一個小型化工廠和一座污水處理廠的綜合體。”在中國制漿造紙研究院的實驗室里，擺放著一組沙盤，直觀展現(xiàn)了造紙廢水的三級處理體系。張紅杰說，現(xiàn)代的造紙業(yè)需要實現(xiàn)規(guī)模效益，而水的處理和循環(huán)能極大降低工廠的運行成本。“造紙在不同環(huán)節(jié)也需要不斷補充新鮮水，在工廠內(nèi)實現(xiàn)水循環(huán)是剛需，你真要讓造紙廠把水排走，他還真舍不得。”
綠水青山就是金山銀山。隨著我國限塑、禁塑政策的不斷推進，張紅杰早已開始了對植物纖維基綠色環(huán)保材料的探索。“我其實不太提倡‘以紙代塑’的說法，其本質(zhì)應該是不同的材料怎樣協(xié)調(diào)地應用。現(xiàn)在外賣領域的紙餐具已經(jīng)不少見了，這里的‘紙’其實是一種廣義的范疇，以植物纖維作為原材料，制造出不同功能的產(chǎn)品，能更好地滿足環(huán)保的需要。”
近三年來，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鍵科學問題開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之一。在張紅杰的辦公室里，擺放著大大小小的紙漿模塑樣品，摸起來與塑料的手感并無二致的紙瓶，就是由紙漿模塑技術(shù)制成的，這也意味著它可以完全被降解。而在日常生活中，電子產(chǎn)品、化妝品等的內(nèi)襯包裝也已經(jīng)用上了紙漿模塑產(chǎn)品。
不過，植物纖維對溫度、濕度比較敏感，張紅杰曾接到一個紙漿模塑企業(yè)的求助，原本出廠時合格的包裝產(chǎn)品，運到客戶手中時，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題出在原料的前處理環(huán)節(jié)，工廠對纖維原料的預處理沒到位，也沒有考慮加入相應的化學助劑，最終產(chǎn)品的成型就受到了影響。經(jīng)過大半年的研究，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助劑，讓產(chǎn)品擁有了優(yōu)良的形穩(wěn)性。
樣品中最常見的便是餐盒包裝，中餐高溫、重油的特點似乎與紙的特性毫不兼容，植物纖維制成的材料內(nèi)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‘兵來將擋、水來土掩’。”在與外賣企業(yè)聯(lián)合開展的“青山計劃”中，張紅杰和團隊已經(jīng)完成了蛋糕、輕食等幾個大類的外賣餐食紙基包裝材料的開發(fā)指導，調(diào)控出優(yōu)良的疏水疏油性能，并正在加緊開發(fā)無氟防油技術(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?，F(xiàn)在，我國的造紙企業(yè)已經(jīng)擁有了最先進的現(xiàn)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，制漿造紙行業(yè)的發(fā)展也非常迅速，逐漸追趕上國外現(xiàn)代造紙工業(yè)的步伐。期待通過我們造紙從業(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，未來他還將繼續(xù)致力于綠色包裝材料的新技術(shù)和新產(chǎn)品開發(fā)研究，為我國“雙碳”戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)貢獻力量。