2023年3月16日，《北京日报》“京韵周刊·领创”专栏以《纸艺春秋》为题，刊发保利亿万先生所属中国制浆造纸研究院研究开发部副主任、包装研发中心主任张红杰及其团队，为打破国外对制浆造纸助剂的垄断，持续研发植物纤维基绿色环保材料，助力绘就绿水青山的故事。与大家分享——
纸艺春秋
塑身薄如翼，泼墨弄丹青。
利用树皮、麻头、鱼网等原料，经过挫、捣、抄、烘等工艺，制出可供书写的纸张，这是我国古代的四大发明之一——造纸术。特别是经东汉蔡伦改良后，纸的质量和产量有了大幅提升，人类书写材料史迎来了重要变革。
数千年间，人类文明借助纸张得以广泛传播。但当造纸技术逐渐走向工业化、现代化，作为造纸术发源地的中国，发展的脚步却逐渐滞后。在很长一段时间里，我国不论是在造纸工业的体量还是技术上，与欧美发达国家相比都有着明显的差距。
为打破国外对制浆造纸助剂的垄断，20多年来，中国制浆造纸研究院有限公司研究开发部副主任、包装材料研发中心主任张红杰持续探索，并研发植物纤维基绿色环保材料，助力绘就绿水青山。
01
一纸千载技更新
在日常生活中，纸无处不在。读书看报、写字作画自不必说，大量的日用品也都是以纸为原料制作。不过，国人对造纸的认识，似乎大多仍停留在蔡伦造纸的历史认知上。
1996年，张红杰考上山东轻工业学院（现齐鲁工业大学）制浆造纸工程专业。在对这个专业进行了全面、系统学习后，他才意识到，我国的传统造纸术是经过一代代匠人实践、总结、传承的工艺，而现代制浆造纸技术的背后，有着丰富的理论基础和技术规范。“从蔡伦发明造纸术到现在的制浆造纸专业，虽然说从工艺原理上变化不是很大，但每个步骤都更加细化和规范，最终形成了一套现代的制浆造纸知识体系。”
制浆、造纸，是现代造纸工业的两个重要步骤。将植物纤维原料通过机械或者化学的方法制成长短不一的单根纤维，再加入功能助剂调制成纤维的水悬浮液，然后利用网面滤去水分，留下纤维网络成型，经过压榨、干燥后便成了纸张。从无机化学、有机化学到植物纤维化学、胶体化学，从材料理论到制浆造纸工程，张红杰逐渐窥探到了造纸的关键——一根根细至毫米级的植物纤维的种类、长度、形貌，决定着纸张最终呈现的性能。
彼时，我国的造纸产业虽然已经开始快速发展，但仍以“小作坊”式的纸厂居多，规模甚至比不上国际大型造纸厂一条生产线的产量，并且产品种类相对单一，发展更依靠“量”而非“质”。“现在回忆那时候常见的印刷品，用的纸大多粗糙、泛黄，写字也容易洇墨。这背后其实体现的是制浆、漂白、施胶等一系列工艺的落后。”张红杰说。
在攻读硕士研究生期间，张红杰师从天津科技大学教授胡惠仁，对制浆造纸领域的一项重要辅料——造纸助留剂阳离子聚丙烯酰胺展开了研究，“这种化学成分在生产中使用的量虽然不多，但作用很大，相当于‘工业味精’。”它主要是发挥吸附、架桥等作用，让更多细小的纤维和填料尽可能保留在网面上，不会随着水流被滤出，从而改善纸页质量，降低造纸过程中的原料损耗。
当时，这类产品在国内还是一片空白，必须依靠进口。“现在说起来，这也算是当时的‘卡脖子’技术，因为国内做不好，国外供应商就能随意提价。”张红杰说，在2000年前后，一吨阳离子聚丙烯酰胺就要卖到4万至6万元。由于聚丙烯酰胺产品在石油领域使用也很广，当时大庆油田恰好引进了一套先进的水解法阴离子聚丙烯酰胺生产线，他便到油田下属的聚合物厂里开展了数年实验研究。关于阳离子聚丙烯酰胺的工业化生产，当时国内可供参考的经验不多，遇到合成方面难以突破的问题，张红杰便在学校、实验室两地奔波，查询高分子合成、水处理助剂等其他领域的相关论文资料，借鉴思路并加以改进。
造纸过程中，容易流失的细小组分尺寸大多在200目以下。向纸料悬浮液中加入阳离子型聚丙烯酰胺后，它的电荷和分子链能将纸料中的细小成分吸附在自己身边，形成稍大的絮状物。细小成分保留在纸页的纤维网络中，不仅能降低成本，还可以改善纸页的表面性能。
“这种研究没有捷径，就是要反复尝试，优化不同组分的配比和生产流程。”通过上百次小剂量的实验，张红杰所在的研发团队系统突破了单体纯度、重金属含量、聚合引发体系等关键技术。但要让创新技术走出实验室，实现工业级生产，必须完成放大试验。“在实验室，我们曾一次性完成25公斤的产品生产，整个过程都很顺利，但真的到工厂车间去尝试，才发现理论和实践之间有着不小的距离。”
在1立方米容积的反应釜前，张红杰尝到了失败的滋味。试验当天，张红杰向反应釜内加入各种原料和引发剂后，便信心满满地站在反应釜边期待着产品出炉。但原本几小时就能完成的反应，张红杰却一直忙到了半夜。实验室进行小批量聚合时，产物能够很快散热，而在大尺寸反应釜中，内部产物的热量无法快速散出，出现了“暴聚”现象。当他们终于将反应釜清理干净时，已是月上中天。
“暴聚会让产物内部聚合反应过快，最后生产出的产品外层是合格的，但内部就像是棉絮一样，分子量上不去。”张红杰连续尝试了三次，均以失败告终，“工业级放大试验出现的问题，确实超出了自己当时的知识架构。”
后续，张红杰所在的研发团队又经过几年的努力，指导企业对生产装置加装了冷却管路和切割装置，改进工艺路线，最终才实现了阳离子聚丙烯酰胺的量产。“我所做的工作其实也只是一小部分，后续的成果得益于团队的共同努力。但也正是这次的经历让我意识到，科研工作是一场漫长的‘马拉松’，要能坐得住‘冷板凳’。科研当然允许失败，但必须得打破砂锅问到底，弄清失败的原因。”
我国现代化造纸厂车间的生产线（受访者供图）
02
纸上得来终觉浅
2004年，张红杰前往加拿大访问学习，这是他第一次近距离接触国际上先进的制浆造纸技术。在国内读书期间，他已经参与了不少科研项目，也去过一些造纸厂，但到加拿大当地的造纸厂参观时，他仍然感到了深深的震撼。
“我们先不谈技术上的差距，只看造纸厂的规模，国内就相差甚远。”张红杰不无感慨地回忆，走进工厂的车间，硕大的造纸机轰鸣着。站在车间里仰望，每台造纸机的宽幅可达六七米，用于纸浆筛选的大筛鼓比人还要高出一头多，相比之下，国内纸厂宽幅还不足三米的机器看起来就像是“玩具”。更让他感受到冲击的是，面前的这些造纸机已经服役了几十年。“上世纪70年代，他们就能拥有如此庞大体量的造纸机，并且能一直保持正常运转，这样的装备规格和水平，当时在国内是难以想象的。”
这是实实在在的差距。国外企业的技术人员耐心地为张红杰一行讲解相关工艺——怎样对纸浆纤维进行多级筛选、如何在生产线上进行工艺参数调试、如何分析实验数据……张红杰说，对方是在向自己认真地传授知识，但身处其中，心情却是五味杂陈。“首先要承认差距，我们需要追赶。同时我也下定决心，尽快将国外好的技术引进到国内，消化吸收并加以转化。”
访学期间，他围绕制浆领域中化学机械浆的性能提升开展了大量研究。而在实验过程中，张红杰因为一次“失误”反而取得了一定突破，也让当地的工程师对他竖起了大拇指——
一般情况下，为了保证实验条件的洁净，科研人员通常使用去离子水开展实验。但明明实验操作都没有问题，张红杰却始终得不到理想的数据，反而是在一次操作中，他误用了自来水，结果竟出乎意料的好。后续进行的定量分析发现，水中的钙镁离子浓度会对荧光增白剂的应用效果产生显著影响，这一发现帮助当地造纸企业实现了技术突破。
在加拿大访学的近三年间，张红杰不断学习和积累科研经验，并在结束访学回国后，一直致力于提升国内的制浆造纸技术。但技术的移植可不是复制、粘贴这么简单，本土化是一个不低的门槛。2013年，张红杰和几位同事到湖南一家造纸企业进行调控化学机械浆光学性能的生产线实验，但将试剂加入生产线后，纸浆纤维的白度竟比之前更低了。
“一看化验室的数据，我心里就咯噔一下。”站在车间里，张红杰紧张得心跳加速，“为了支持实验，工厂已经购买了一大批化学助剂，我们绝对不能失败。”冷静下来后，他和现场的外籍专家都认为从理论上考虑，这种意外不可能出现。于是，他们和车间工程师一起逆向溯源，终于发现问题出在工厂使用的其他助剂上。当对生产流水线加以调整，尽量隔离不同助剂的加入点，为助剂留出充分的反应时间后，问题迎刃而解。
“真的是长舒一口气。那个场景我永远也忘不了，这份责任太大了。”张红杰将这一经历铭刻在心，但这种能够为企业解决实际问题的收获感，也让他着迷。
到造纸企业进行技术指导与交流，是张红杰的日常。而造纸企业通常地处偏远，如果碰到技术难题，在工厂一住就是好几天。但在他看来，工科专业离不开实践认知，从实验室走到工厂中，才能让科研人员对自己所学的理论知识产生感性认识。为此，在天津科技大学任教的13年间，他从不放过任何一个带领学生赴工厂实习的机会。“只有亲眼看过制浆、造纸的装备，亲自动手操作生产实践中的每一个环节，才能真正理解书本上的知识。”
也正是秉持着这一理念，2019年，张红杰离开了天津科技大学，进京加入中国制浆造纸研究院，将多年积累的科研成果推向生产一线。“高校和研究院的研究方向还是存在差别的，从我的角度，更希望做一些技术开发工作，为本领域的技术进步服务。一项新的技术真正利国利民，离不开企业的接纳和市场推广。”
03
艺纸织卷绘青山
提起造纸行业，公众的第一印象便是高污染。这个标签，其实源于早年间我国造纸行业产能分散、工艺粗放的发展阶段。“小作坊”式的造纸工厂一味追求经济效益，不愿也无力对所产生的废水进行处理，直接排放到自然界，造成了环境污染。
“现代化的造纸工业绝不允许这种行为，我们现在到现代化造纸厂参观，真正的造纸生产线其实只占厂区的一小部分，其他部分更像是一个小型化工厂和一座污水处理厂的综合体。”在中国制浆造纸研究院的实验室里，摆放着一组沙盘，直观展现了造纸废水的三级处理体系。张红杰说，现代的造纸业需要实现规模效益，而水的处理和循环能极大降低工厂的运行成本。“造纸在不同环节也需要不断补充新鲜水，在工厂内实现水循环是刚需，你真要让造纸厂把水排走，他还真舍不得。”
绿水青山就是金山银山。随着我国限塑、禁塑政策的不断推进，张红杰早已开始了对植物纤维基绿色环保材料的探索。“我其实不太提倡‘以纸代塑’的说法，其本质应该是不同的材料怎样协调地应用。现在外卖领域的纸餐具已经不少见了，这里的‘纸’其实是一种广义的范畴，以植物纤维作为原材料，制造出不同功能的产品，能更好地满足环保的需要。”
近三年来，张红杰牵头在中国制浆造纸研究院组建起包装材料研发中心，围绕植物纤维基可降解材料的关键科学问题开展了一系列应用基础研究。
纸浆模塑包装材料便是当下的研究热点之一。在张红杰的办公室里，摆放着大大小小的纸浆模塑样品，摸起来与塑料的手感并无二致的纸瓶，就是由纸浆模塑技术制成的，这也意味着它可以完全被降解。而在日常生活中，电子产品、化妆品等的内衬包装也已经用上了纸浆模塑产品。
不过，植物纤维对温度、湿度比较敏感，张红杰曾接到一个纸浆模塑企业的求助，原本出厂时合格的包装产品，运到客户手中时，由于途中吸潮发生形变，尺寸变大了100多微米。凭借对纸浆纤维的深入理解，张红杰迅速意识到问题出在原料的前处理环节，工厂对纤维原料的预处理没到位，也没有考虑加入相应的化学助剂，最终产品的成型就受到了影响。经过大半年的研究，张红杰团队为这家企业优化出适宜的原料配比和化学助剂，让产品拥有了优良的形稳性。
样品中最常见的便是餐盒包装，中餐高温、重油的特点似乎与纸的特性毫不兼容，植物纤维制成的材料内部必然存在大量孔隙。张红杰和团队努力的目标，便是解决纸基包装材料普遍存在的阻隔性问题。“防水、防油、阻气，针对不同的阻隔对象，具体阻隔的原理各不相同，总之‘兵来将挡、水来土掩’。”在与外卖企业联合开展的“青山计划”中，张红杰和团队已经完成了蛋糕、轻食等几个大类的外卖餐食纸基包装材料的开发指导，调控出优良的疏水疏油性能，并正在加紧开发无氟防油技术。
从“以量取胜”到绿色环保，张红杰与我国制浆造纸行业一同成长。现在，我国的造纸企业已经拥有了最先进的现代化制浆造纸设备，“纸”也已经变幻出了各种难以想象的形态。特高压变压器中有用于绝缘的绝缘纸，超级电容器里有纸基隔膜材料超级电容器纸，汽车变速箱里有纤维基密封材料，C919大飞机舱面的支撑体则是芳纶蜂窝纸材质……
“我国是造纸技术的发源地，近年来，制浆造纸行业的发展也非常迅速，逐渐追赶上国外现代造纸工业的步伐。期待通过我们造纸从业者的努力，让中国的制浆造纸技术再次走向世界。”张红杰说，未来他还将继续致力于绿色包装材料的新技术和新产品开发研究，为我国“双碳”战略目标的实现贡献力量。