2023年3月16日，《北京日報》“京韻周刊·領(lǐng)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(dāng)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(xué)院（現(xiàn)齊魯工業(yè)大學(xué)）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(xué)習(xí)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(chǔ)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(xué)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(luò)成型，經(jīng)過壓榨、干燥后便成了紙張。從無機化學(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、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(xué)教授胡惠仁，對制漿造紙領(lǐng)域的一項重要輔料——造紙助留劑陽離子聚丙烯酰胺展開了研究，“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(dāng)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(dāng)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(dāng)時的‘卡脖子’技術(shù)，因為國內(nèi)做不好，國外供應(yīng)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(lǐng)域使用也很廣，當(dāng)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(guān)于陽離子聚丙烯酰胺的工業(yè)化生產(chǎn)，當(dāng)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(xué)校、實驗室兩地奔波，查詢高分子合成、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。
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(luò)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(fù)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(guān)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(yīng)釜前，張紅杰嘗到了失敗的滋味。試驗當(dāng)天，張紅杰向反應(yīng)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(yīng)釜邊期待著產(chǎn)品出爐。但原本幾小時就能完成的反應(yīng)，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(yīng)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(dāng)他們終于將反應(yīng)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(yīng)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(dāng)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(dǎo)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’。科研當(dāng)然允許失敗，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(xué)習(xí)，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(dāng)?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(jì)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(dāng)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(guān)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(xué)期間，他圍繞制漿領(lǐng)域中化學(xué)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(dāng)?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(yīng)用效果產(chǎn)生顯著影響，這一發(fā)現(xiàn)幫助當(dāng)?shù)卦旒埰髽I(yè)實現(xiàn)了技術(shù)突破。
在加拿大訪學(xué)的近三年間，張紅杰不斷學(xué)習(xí)和積累科研經(jīng)驗，并在結(jié)束訪學(xué)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(fù)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(xué)機械漿光學(xué)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(xué)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(dāng)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(yīng)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(zé)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(dǎo)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(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，他從不放過任何一個帶領(lǐng)學(xué)生赴工廠實習(xí)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(xué)，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(lǐng)域的技術(shù)進步服務(wù)。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(biāo)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(yīng)該是不同的材料怎樣協(xié)調(diào)地應(yīng)用?，F(xiàn)在外賣領(lǐng)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(guān)鍵科學(xué)問題開展了一系列應(yīng)用基礎(chǔ)研究。
紙漿模塑包裝材料便是當(dāng)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(yù)處理沒到位，也沒有考慮加入相應(yīng)的化學(xué)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(xué)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(biāo)，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(dǎo)，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。現(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(shè)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(biāo)的實現(xiàn)貢獻力量。