2023年3月16日，《北京日報》“京（jīng）韻周刊·領創”專欄以《紙藝春秋》為（wéi）題，刊（kān）發保利中輕所屬中國製（zhì）漿造紙研究（jiū）院研究開發部副主任、包裝研發中心主任張紅傑及其團隊，為打破國外對（duì）製漿造紙助劑的壟斷（duàn），持續研發植物纖維（wéi）基綠（lǜ）色環保材料，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（mò）弄丹青。
利用樹（shù）皮、麻頭、漁網等（děng）原料，經過挫（cuò）、搗、抄（chāo）、烘等工藝，製出可供書（shū）寫的（de）紙張，這是我國古代的四大發明之一——造紙術。特別是（shì）經東漢蔡倫改良後（hòu），紙的質量和（hé）產量有了大幅提升，人類書（shū）寫材（cái）料史迎來了重要變革。
數千年間，人類文明借助紙張（zhāng）得以廣泛傳播。但當造紙技術逐漸走向工業化、現代化，作（zuò）為造紙術發（fā）源地的中國，發展的腳步卻（què）逐漸滯後。在很長一段時間裏，我國不論是（shì）在造紙工業的（de）體量還是技術上，與歐美發達國家（jiā）相（xiàng）比都有著明顯的差距。
為打破國外對製漿造紙助劑的壟斷，20多（duō）年來，中國（guó）製漿造紙研究（jiū）院有限公司研究開發部副主（zhǔ）任、包裝材料（liào）研發中心（xīn）主任張紅（hóng）傑持續探索（suǒ），並（bìng）研發植物（wù）纖維基綠色環保材料，助力繪就綠水青山。
一（yī）紙千（qiān）載技更新
在日常生活中，紙無處不在。讀書（shū）看報、寫字（zì）作畫自不必說，大量的日用品也都是以紙為原（yuán）料製作。不過，國人對造紙的認識，似乎（hū）大多仍停留在蔡倫造紙的曆史認知上。
1996年，張紅傑考上山東輕工（gōng）業（yè）學院（現齊魯工業大學）製漿造紙工程專業。在對這個專業進行了全（quán）麵、係統學習後，他才意識到（dào），我國的傳統造紙術是經（jīng）過一代代匠人實踐、總結、傳（chuán）承的工藝（yì），而現代製漿造紙技術的背後，有著豐（fēng）富的理論基（jī）礎和技術（shù）規範。“從蔡倫發明（míng）造紙術到現在的製漿造紙專業，雖然說從工藝原理（lǐ）上變化不是很大，但每個步驟（zhòu）都更加細化和規範，最終形成了一套現代的製漿造紙知識體係。”
製漿（jiāng）、造紙，是現代造紙工業的兩個重（chóng）要步驟（zhòu）。將植物纖維原料通過機械或者化學的方法（fǎ）製成長短不一的單根纖維，再加入功能助劑調製成纖維的水懸浮液，然後利用網麵（miàn）濾去水分，留下纖維網絡成型，經過壓榨、幹燥後（hòu）便成了紙張。從無機化學、有（yǒu）機化學到植物纖維化學、膠體化（huà）學，從材料理論到製漿造紙工程，張紅傑逐漸窺（kuī）探到了造紙的關鍵——一根根細（xì）至（zhì）毫米級的植物纖維的種類、長度、形貌，決定著紙張最（zuì）終呈現的性能。
彼時（shí），我國的造紙產業雖然已經開始快速發展，但仍以“小作坊”式的紙廠居多，規模（mó）甚至比不上國際大型造紙廠一條生產線的產量，並且（qiě）產（chǎn）品種類相對單一，發展更依靠“量”而非“質”。“現在回憶那時候常見的印刷品，用的（de）紙大多粗糙、泛黃，寫字也（yě）容易洇墨。這（zhè）背後其實體現的是製漿、漂白、施膠等一係列工藝的（de）落後。”張紅傑（jié）說（shuō）。
在攻讀碩士研究生期間，張紅傑師從天津（jīn）科技大學教授胡惠仁，對製漿造紙領域的一項重要輔料——造紙助留劑陽離（lí）子聚丙烯酰胺展開了研究，“這種化學成分在生產中使用（yòng）的量雖然不多，但作用很（hěn）大，相當於‘工（gōng）業味（wèi）精（jīng）’。”它主要是發揮吸（xī）附、架（jià）橋等作用，讓更多細小的纖維和填料（liào）盡可能保留在網麵上，不會隨著水流被濾（lǜ）出，從而改善紙頁質量，降低造（zào）紙過程中的原料損耗。
當時，這類產品在國內還是一（yī）片空白，必（bì）須依靠進口（kǒu）。“現在說起來，這也算是當時的‘卡（kǎ）脖子’技（jì）術，因為國內做不好（hǎo），國外供應商就能隨意提價。”張紅傑說，在2000年前（qián）後，一噸陽離子聚丙烯酰胺就要賣到4萬至6萬元（yuán）。由於（yú）聚丙烯酰胺產品在石油領域使用也很廣，當時大慶油田恰好引（yǐn）進了一套先進的水解法陰離子聚丙（bǐng）烯酰胺生產線，他便到（dào）油田下（xià）屬的（de）聚合物廠裏開展了數年（nián）實驗研究（jiū）。關於陽離子聚丙（bǐng）烯酰胺的工業化生（shēng）產，當時（shí）國內可供參考的經驗不多（duō），遇到合（hé）成方麵難以突破的問題，張紅傑便在學校、實驗（yàn）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（xiàng）關論文資料，借鑒思路並加以改進。
造紙（zhǐ）過程中，容易流失的（de）細小組分尺寸大多在200目以下。向紙料懸浮液中加入陽（yáng）離子型聚丙烯酰胺後（hòu），它（tā）的電（diàn）荷和（hé）分子（zǐ）鏈能將紙料中的（de）細小（xiǎo）成分（fèn）吸附在自己身邊，形成稍大的絮狀物。細小（xiǎo）成分保留在紙頁的纖維網絡中，不僅能（néng）降低成本，還可以改善紙頁的表麵（miàn）性能。
“這種研究沒有（yǒu）捷徑，就（jiù）是（shì）要反複嚐試，優化不同組分的（de）配比和（hé）生產流程。”通過上百次小劑量的實驗，張紅傑所（suǒ）在的研發團隊係統突破了（le）單（dān）體純度、重（chóng）金（jīn）屬含量、聚合引發體（tǐ）係等關鍵技術。但要讓創新技術走（zǒu）出實驗室（shì），實現工業級生產，必須完成（chéng）放（fàng）大試驗。“在實驗室，我們曾一次（cì）性完成25公斤的產品生產，整個過程都很（hěn）順利，但真的到工廠車間去嚐（cháng）試，才發現理論和實踐之間有著不小的（de）距離（lí）。”
在1立（lì）方米容（róng）積的反應釜前（qián），張紅傑嚐到了失敗的滋味。試驗當天，張紅傑向反應釜（fǔ）內加入各種原料（liào）和引發劑後，便信心滿滿地站在（zài）反應釜邊期待著（zhe）產品出爐（lú）。但原本幾小時（shí）就能完成（chéng）的反應，張紅傑卻一直忙到（dào）了半夜。實驗室進行小批量聚合時，產物能（néng）夠很快散熱，而在大尺寸（cùn）反（fǎn）應釜中，內部產物的熱量無法快速散出，出現了“暴聚”現象。當他們終於將反應釜清理幹淨時，已是月上中天。
“暴聚會讓產物內部聚合反應過（guò）快，最後生產出的產品（pǐn）外層是合格的，但內部就像是棉絮一樣，分子量上不（bú）去。”張紅傑連續嚐試（shì）了三次，均以失敗告終，“工業（yè）級放大試（shì）驗出現的（de）問題，確實超出了（le）自己當時的知識（shí）架構。”
後續，張紅傑所在的（de）研發團（tuán）隊又經（jīng）過幾年的努力，指導企業對生產裝置加（jiā）裝了冷卻管路和切割（gē）裝置，改進工藝路線，最終才（cái）實現了陽離子聚丙（bǐng）烯酰胺的量產。“我所做的工作其實也隻是（shì）一小部分，後續的成果得益於團隊的共同努（nǔ）力。但也正是這次的經曆讓我意識到，科（kē）研工作是一場漫長的‘馬拉鬆’，要能坐（zuò）得住‘冷板凳’。科（kē）研當然允許失敗，但必須得打破砂鍋問到底，弄清失敗的原因。”
<span style="color: rgb(160, 160, 160); font-family: system-ui, -apple-system, BlinkMacSystemFont, " helvetica="" neue",="" "pingfang="" sc",="" "hiragino="" sans="" gb",="" "microsoft="" yahei="" ui",="" yahei",="" arial,="" sans-serif;="" font-size:="" 15px;="" letter-spacing:="" 1px;="" text-align:="" justify;"="">我國現（xiàn）代化造（zào）紙廠車間的生（shēng）產線（受訪者供圖）
紙上（shàng）得來終覺淺
2004年，張紅傑前往加拿大訪問學習，這是他第一次近距離接（jiē）觸國際上先進的製漿造紙技術。在國內讀書期間，他已經參與了不少科研（yán）項目，也去過一些造紙廠，但到加拿大當地的造紙廠參觀時，他仍然感到了深深的震撼。
“我們（men）先不談技術上的差距，隻看造紙廠的規模，國內（nèi）就（jiù）相差甚遠。”張紅傑不無感慨地回憶，走進工廠的車間，碩大的造紙（zhǐ）機轟鳴著。站在（zài）車間（jiān）裏仰望（wàng），每台造紙機的寬幅可（kě）達六七米，用於紙漿篩（shāi）選的大篩鼓比人還要高出一頭多（duō），相比之下，國（guó）內紙廠（chǎng）寬幅還不足三米的機器看起來就（jiù）像是“玩具”。更讓他（tā）感受到衝擊（jī）的是，麵前的這些造紙機已經服役了幾十年。“上世（shì）紀70年代，他們（men）就（jiù）能擁有如此龐大體量的造紙機，並且能一直保持正常運轉，這（zhè）樣的裝備規格和水平，當時在國內是難以想象的。”
這是實實在在的差距。國外企業的技術人（rén）員耐心地為張紅傑一行講解相關工（gōng）藝——怎樣對紙漿纖維進行多（duō）級（jí）篩選、如何在生產線上進行工（gōng）藝參數調試、如何（hé）分析實驗數據……張紅傑（jié）說，對方是在向自己認真地傳授知識，但身處其中，心情（qíng）卻是五味雜陳。“首先要承認差距，我（wǒ）們需要追趕。同時（shí）我也下定決心，盡快將國外好的技術引進到國內（nèi），消（xiāo）化吸（xī）收並加以轉化。”
訪學期間，他圍繞（rào）製（zhì）漿領域中化學機（jī）械漿的性能提（tí）升開展（zhǎn）了（le）大量（liàng）研究。而在實驗過程（chéng）中（zhōng），張紅傑因為一次“失誤”反而取得了一定突破，也讓（ràng）當地的工程師對他豎起了大拇指（zhǐ）——
一（yī）般情況下，為（wéi）了保證實驗條件的潔淨，科研人員通常（cháng）使用（yòng）去離子水開展實驗。但明明實驗操作都沒有問題，張紅傑卻始終得不到（dào）理想的數（shù）據，反而是在一次操作（zuò）中，他誤用了自來水，結果竟出乎意料的好。後（hòu）續進（jìn）行（háng）的定量分析發現，水中的（de）鈣鎂離子濃度會（huì）對熒光增白劑的應用（yòng）效果產生（shēng）顯著影響，這一（yī）發現幫助當地造紙企業實（shí）現了技術突破。
在加拿大訪學（xué）的近三年間，張紅傑不斷學習和積累科研（yán）經驗，並在結束訪學回國後，一直（zhí）致力於提升國內的製漿（jiāng）造紙技術。但技術的移植可不是（shì）複製、粘貼這（zhè）麽簡單，本土化是一個不低的門檻。2013年，張紅傑和幾位同事到湖（hú）南一家造（zào）紙企業進行（háng）調控化學機械漿光學性能的（de）生（shēng）產線（xiàn）實驗，但將試劑加入生產線後，紙漿纖維的白度竟比之前（qián）更（gèng）低了。
“一看（kàn）化驗室（shì）的數據，我心裏就咯噔一下（xià）。”站在車間裏，張紅傑緊張得心跳加速，“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。”冷靜下來後，他和現（xiàn）場（chǎng）的外籍專家都認為從理論上考慮，這種意外（wài）不可（kě）能出現。於是，他們（men）和（hé）車間工程師一起逆（nì）向溯源，終於發現問題出在工廠使用（yòng）的其他助劑上。當對生產流水線加以（yǐ）調（diào）整，盡量隔離不同助劑的加（jiā）入（rù）點，為助劑留出（chū）充分的反應時間後，問題迎（yíng）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。”張紅傑將（jiāng）這一經曆銘刻在（zài）心，但這種能夠為企業解（jiě）決實際問題（tí）的（de）收獲感，也讓他著迷。
到造紙企業進行技術指導與交流，是張紅傑的日常。而造紙企業通常地（dì）處偏遠，如果碰到技術難題，在工廠一住就是好幾天。但在他看來，工科專業離不（bú）開實踐認知，從實驗室走到工廠中，才能讓科（kē）研人員對自己所學的理論知識產生感性認識（shí）。為此，在天津科技大學任教的13年間，他從（cóng）不放過任何一個帶領學生赴工廠實習的機會。“隻有親眼看過製漿、造紙的裝備，親自動手操作（zuò）生（shēng）產（chǎn）實踐中的每一（yī）個環節，才能真正理解（jiě）書本上的知識。”
也正是秉持著這一理念，2019年，張紅傑離開（kāi）了天津科技大學，進京加入中（zhōng）國製漿造紙研究院，將（jiāng）多年積累的科研成果推向生產一線。“高校和研究院的研究方向還是存在差別的，從我的（de）角（jiǎo）度，更希望做一些技術開發工作，為本領域的技術進步服務。一項新的技術真正利國利民，離不開企業的接納和市場推廣。”
藝紙織卷（juàn）繪青山
提起造紙行業，公眾的第一印（yìn）象（xiàng）便是高汙染（rǎn）。這個標簽，其實（shí）源於早（zǎo）年間我國（guó）造紙行業產能分散、工（gōng）藝粗放的發展階段。“小作坊”式的造（zào）紙工（gōng）廠一味追求經濟效益，不願也（yě）無力對所產生的廢水進行處理，直接排放到自然界，造成了環境汙染。
“現代化的造（zào）紙工業絕不允許（xǔ）這（zhè）種（zhǒng）行為，我（wǒ）們現在到現代化造紙廠參觀，真正的（de）造紙生產線其（qí）實隻占廠區的一（yī）小部分，其（qí）他（tā）部分更像是一個小型（xíng）化（huà）工廠和一座汙水處理（lǐ）廠的綜合體。”在中國製漿造紙研究院的實（shí）驗室裏，擺放著一（yī）組沙盤，直觀展現了造紙（zhǐ）廢水的三級處理體係。張紅傑說，現代的造紙業需要（yào）實現規模（mó）效益，而水的處理和循環能極大降低工廠的（de）運（yùn）行成本。“造紙在不同環節也需要不斷補（bǔ）充新鮮水，在工廠內實現水循環是剛需（xū），你真（zhēn）要讓（ràng）造紙廠把水排走，他還真（zhēn）舍不得。”
綠水青（qīng）山就是金山銀山。隨著（zhe）我國限塑、禁（jìn）塑政策的不（bú）斷推進，張紅傑早已開始了對植物纖維基（jī）綠色環保（bǎo）材料的探索。“我其實不太提（tí）倡‘以紙代塑’的說法，其本質應該是不同的材料（liào）怎樣協調地應用。現在（zài）外賣（mài）領域的紙餐具（jù）已經不少見了，這裏的‘紙’其實（shí）是一種廣義的範疇，以植物纖維作為原材料，製造出不同功能的產品（pǐn），能更好地滿（mǎn）足環保的需要。”
近（jìn）三年來，張紅（hóng）傑牽頭在中國製漿造紙研究院組建起包裝材料研發中心，圍繞植物纖維基可降解材料的關鍵科學問題開展了一係列應用基礎研（yán）究。
紙漿模塑包裝（zhuāng）材料便是當下的研究熱點之一。在張紅傑（jié）的辦公室裏，擺放著大大小小（xiǎo）的紙漿模塑樣（yàng）品，摸（mō）起來與塑料的手感並無（wú）二致的紙瓶，就是由紙漿模塑技術製（zhì）成（chéng）的，這也意味著它可以完全被降解。而在日常生活中，電子產品、化妝品等的內襯包裝也已經用上了紙漿（jiāng）模塑產（chǎn）品。
不過，植物纖維對溫度、濕度比較敏感，張紅傑曾接到一個紙漿模塑企業的求助，原本出（chū）廠時合格的包裝產品，運到客戶手中時，由於途中吸潮發生形（xíng）變，尺寸（cùn）變（biàn）大了100多微米。憑（píng）借對紙漿纖維的深入理解，張紅傑迅速意（yì）識到問題出在原料的前處理環節，工廠（chǎng）對纖維原料的預處理沒到位，也沒有考慮加入相（xiàng）應的化學助劑，最終（zhōng）產品的成型就受到了影響。經（jīng）過大半年的研究，張紅傑團隊為這家（jiā）企業優化出適宜的原料（liào）配比（bǐ）和化學助（zhù）劑，讓產品擁有了優（yōu）良的形穩（wěn）性。
樣品中最常見的便是餐盒（hé）包裝，中（zhōng）餐高溫、重油的（de）特點似（sì）乎與紙的（de）特性毫不兼容，植物纖維製成的材料內（nèi）部必（bì）然存在大量孔隙。張紅傑和團隊努力的目標，便是解（jiě）決紙基包裝材料普（pǔ）遍存在的阻隔性問題。“防水、防油、阻氣，針（zhēn）對不同的阻隔對象，具體（tǐ）阻隔的原（yuán）理各不相同（tóng），總之‘兵來將（jiāng）擋、水來土掩’。”在與外賣企業（yè）聯合開展的“青山計劃（huá）”中，張紅傑和團隊已經完成（chéng）了蛋糕、輕食等幾個大類的外（wài）賣餐（cān）食紙基包裝材料（liào）的開發指導，調控出優良的疏水疏油性能，並正在加緊開發無氟（fú）防油（yóu）技（jì）術。
從“以（yǐ）量取勝”到綠色環保，張紅傑與我國製漿造紙行業一同成（chéng）長。現在（zài），我（wǒ）國的造（zào）紙企業已經（jīng）擁（yōng）有了（le）最先進的現代化製漿造（zào）紙設備，“紙”也已經變幻出了各種難以想象的形態。特高（gāo）壓變（biàn）壓器中有（yǒu）用於絕緣的絕緣（yuán）紙，超級電容器裏有紙基隔膜材料超級電容（róng）器紙，汽車變速箱裏有纖維基密封（fēng）材料，C919大飛機艙麵的支撐體則是芳綸蜂（fēng）窩紙材質……
“我國是（shì）造紙技術的發源地，近年來，製漿造紙行（háng）業的發展（zhǎn）也非常迅速，逐漸追趕上（shàng）國外現代造（zào）紙（zhǐ）工（gōng）業的（de）步（bù）伐。期待（dài）通過我們造紙從業者的努力，讓中國的製漿造紙技術再次走向世界。”張紅傑（jié）說，未來他還將繼續（xù）致力於綠（lǜ）色包裝材（cái）料的新技術和新產品開（kāi）發研究，為我（wǒ）國“雙碳”戰略目（mù）標的實現貢獻力量。