2023年3月16日，《北京日報》“京韻周刊·領創”專（zhuān）欄以《紙藝春秋》為題，刊發保利中輕（qīng）所屬中國製漿造紙研究院研究開發部副主任、包裝研發中心主任張紅傑及其團隊，為打破國外對製漿造紙助劑的壟斷，持續研發植物纖（xiān）維基綠色環保材料，助（zhù）力繪（huì）就綠水青山的故事。與大家分享——
紙藝春秋（qiū）
塑身薄如翼，潑（pō）墨弄丹青。
利用樹皮、麻（má）頭、漁網（wǎng）等（děng）原料，經過挫、搗、抄、烘等工藝，製出可供書寫的紙張，這是我國古代的四大發明之一——造紙術。特別是經東漢蔡倫改良後，紙的質量和產（chǎn）量有了大幅提升，人類書寫材料史迎來了重要變革。
數千（qiān）年間，人類文明借助紙張得以廣泛傳播。但當造（zào）紙技術逐漸走向工業化、現代化，作為造紙術發源地的中國，發展的腳步卻逐漸滯後。在很長一段時間裏，我國（guó）不論（lùn）是在造紙工業的體量還是技術上，與歐美發達（dá）國家相比都（dōu）有著明顯的差距。
為打破國外對製漿造紙助劑的壟斷，20多年來，中國製漿造紙研究院有限公司研究開發部副（fù）主任、包裝材料研發中心主任（rèn）張紅傑持續探索，並研發植物纖維基綠色環保材料，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（xiě）字作（zuò）畫自不必說，大量（liàng）的日用品也都是以紙為原料（liào）製（zhì）作。不過，國人對（duì）造紙的（de）認識，似乎（hū）大多仍停留在蔡倫造紙的（de）曆史認知上。
1996年，張紅傑考上山東（dōng）輕工業學（xué）院（現齊魯工業大（dà）學）製漿造紙工程專（zhuān）業。在對這個專業進行了全麵、係統學習後，他才意（yì）識到，我國的傳統造紙術是經過一代代匠人實踐、總結（jié）、傳承的工藝，而現代製漿造紙技術的背後，有著豐富的理論（lùn）基礎和技術規範。“從蔡倫發明造紙術到現在的製漿造紙（zhǐ）專（zhuān）業，雖然說（shuō）從工藝原理上變化不是很大，但每個步驟都更加細化和規範，最終（zhōng）形（xíng）成了一套現代的製漿造紙知識體係。”
製漿、造紙，是現代造紙工業的兩個重要步驟（zhòu）。將植物纖維原料通過機械或者化學（xué）的方法製成長短不一的單（dān）根（gēn）纖維（wéi），再加入功能助劑調（diào）製成纖維的水懸浮液，然後（hòu）利用網麵濾去水分，留下纖維網絡成型（xíng），經過壓榨、幹燥後便成了紙張。從無機（jī）化學、有機化學到植物纖維（wéi）化（huà）學、膠體化學，從材料理論到製漿造紙工程，張紅傑逐漸窺探到（dào）了造紙的關鍵——一根根細至毫米級的（de）植物纖（xiān）維的種類、長度、形貌，決定著紙張最終呈現的性能。
彼時，我國的造紙產業雖然已經開始快速發展，但（dàn）仍（réng）以“小作坊”式的（de）紙廠居多（duō），規模甚至比不上國際大型造紙廠一條生產線的產量，並且產品（pǐn）種類相對單一，發展更依靠“量”而非（fēi）“質”。“現在回（huí）憶那時候常見的印（yìn）刷品，用的紙大（dà）多粗糙、泛黃，寫字也容易洇墨（mò）。這背後其實（shí）體現的是製漿、漂白、施膠等（děng）一係列工藝的落後。”張紅傑說。
在攻讀碩士研究生（shēng）期間，張紅傑師從天津科技大學教授胡惠（huì）仁，對製漿造紙領域的一項重要輔料——造紙助（zhù）留劑陽離子聚丙烯酰胺展開（kāi）了（le）研究，“這種化學（xué）成分在生產中（zhōng）使用的量雖然不多，但（dàn）作（zuò）用（yòng）很大，相當於‘工業味精’。”它（tā）主要是發揮吸附、架橋（qiáo）等作用，讓更多細小的纖維和填料盡可能保留在網麵上，不會隨著水流被濾出，從（cóng）而（ér）改善紙頁質量，降低造紙過程中的原料損耗。
當時，這類產品在國（guó）內還是一片空白，必須依靠進（jìn）口。“現在說起來，這也算是當時的‘卡脖子（zǐ）’技術，因為國內做不好，國外供應商就能隨意（yì）提價。”張（zhāng）紅（hóng）傑說，在2000年前後，一噸陽離（lí）子聚丙烯酰（xiān）胺（àn）就要（yào）賣到4萬至6萬元。由於聚丙烯酰胺（àn）產品在石油領域（yù）使用也很（hěn）廣，當時大慶油田恰好引進了（le）一套先進的水解法陰離子聚丙烯酰胺生產線，他便到油田下屬的聚合物廠（chǎng）裏（lǐ）開展（zhǎn）了數年實驗研（yán）究。關於陽離（lí）子聚丙烯酰胺的工業化生產，當時國內可供參考的經驗（yàn）不多，遇到合成方麵難以突破的問題，張紅傑便在學（xué）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域的相關論文資料，借鑒思路並加以改進。
造紙（zhǐ）過程中，容易流失的細小組分尺寸大多在200目以下。向紙料懸浮（fú）液中加入陽離子型聚（jù）丙烯酰胺後，它的電荷和分子鏈能將紙料中的細小（xiǎo）成分（fèn）吸附（fù）在自己身邊，形成稍大（dà）的絮狀物。細小（xiǎo）成分保留在紙頁的纖維網（wǎng）絡中，不僅能降低（dī）成本，還可以改善紙頁的表麵性能。
“這種研究沒有捷徑，就是要反複嚐試，優化不同（tóng）組分的（de）配比和（hé）生產流程。”通過上百次小劑（jì）量的（de）實驗，張紅傑所在的研發團（tuán）隊係統突破了單體純度、重金屬含量、聚合（hé）引（yǐn）發體係等關鍵技術（shù）。但要（yào）讓創（chuàng）新技術走出（chū）實驗室，實現工（gōng）業級生產，必須完成放大試驗。“在實驗室，我們曾一次性完成25公斤的產品生產，整個過程都很順利，但真的到工廠（chǎng）車間去嚐試，才發現（xiàn）理論和實踐之間（jiān）有著不小的距離。”
在1立方米容積（jī）的反應釜前，張（zhāng）紅傑嚐到了失敗的（de）滋（zī）味。試驗當天，張紅傑向反應釜內加入各種原料和引發劑後，便信（xìn）心滿滿地（dì）站在反應釜邊期（qī）待（dài）著產（chǎn）品（pǐn）出爐。但原本幾小時就能完成的反應，張紅傑卻一直忙到了半夜。實驗室（shì）進行小批量聚合（hé）時，產物能夠很快散熱，而在大尺寸反應釜中，內部產物的熱量無法（fǎ）快速散出，出現（xiàn）了“暴聚（jù）”現象。當他們終於將反（fǎn）應釜清理幹淨時，已是月上中天。
“暴聚會讓產物內部聚合反（fǎn）應過快，最後生產出（chū）的產品（pǐn）外層是合格的，但內部就像是棉絮一樣，分子量上不去。”張紅傑連續嚐試了三次，均以失敗告終，“工業級放大試驗出現的問題（tí），確實超（chāo）出了自（zì）己當時的知識架構。”
後續，張紅（hóng）傑所在的（de）研發團隊又經過幾年的努力，指導企業對生產裝置加裝（zhuāng）了冷卻管路和切割裝置，改進工藝路線，最終（zhōng）才實現了陽離子聚丙烯酰（xiān）胺的量產。“我所（suǒ）做的工作其實也隻是（shì）一小部分，後（hòu）續的成果得益於團隊的共同努力。但也正（zhèng）是這次的經曆讓我意識到（dào），科研工作是一場漫長的‘馬拉鬆’，要能坐得住‘冷板凳’。科研當然允許失敗，但必須得打破砂鍋問到底，弄清失敗的原因（yīn）。”
<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;"="">我國現代化造紙廠車間的生產線（受訪者供圖）
紙（zhǐ）上得來終覺淺
2004年，張紅傑前往（wǎng）加拿大訪問學（xué）習，這是（shì）他第一次近距離接（jiē）觸國際（jì）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項目，也去過一些造紙廠，但到加（jiā）拿大當地的造紙廠參觀時，他仍然感（gǎn）到了深深的震撼。
“我們先不談技術上的（de）差距，隻看造紙廠的規模，國內（nèi）就相差（chà）甚遠（yuǎn）。”張紅傑不無感慨地回憶，走進工廠的車間，碩大的造紙機轟鳴著。站在車間裏仰望，每台造紙機的寬（kuān）幅可達六七米（mǐ），用於（yú）紙漿篩選的大篩鼓比（bǐ）人還要高出一頭多，相比之下，國內紙廠寬幅還不足三米的機器看起來就像是（shì）“玩具”。更讓他感受到衝擊的是，麵前的這些造紙機已經服役了幾十年。“上世紀70年（nián）代，他們就能擁有如此龐大體量（liàng）的造紙機，並且（qiě）能一直保持正常運轉，這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（jù）。國外企業的技（jì）術人員耐（nài）心（xīn）地為張紅傑一行講解相關工藝——怎樣對紙漿（jiāng）纖維進行多級（jí）篩選、如何在生產（chǎn）線上進行工（gōng）藝參數調試（shì）、如何分析（xī）實驗（yàn）數據……張紅（hóng）傑說，對方是在向自己認真地傳授知識，但身處（chù）其中，心情卻是五味雜陳。“首（shǒu）先（xiān）要承認差（chà）距，我們需要追趕。同時我也下定決心，盡快將國外好（hǎo）的（de）技術引進到國內，消化吸收並加以轉化（huà）。”
訪學期間，他圍繞製漿領域（yù）中化（huà）學機械漿的性能提升開展了大量研（yán）究。而在實驗過程中，張紅（hóng）傑因為一次“失誤”反而取得了一定突破，也讓當地的工（gōng）程師（shī）對他豎起了大拇指——
一般情況下，為了保證實驗（yàn）條件的潔淨，科研人員通（tōng）常使用去離子水開展實驗。但明明實驗操作都沒有問題，張（zhāng）紅傑卻始終得不到理想的數據，反而（ér）是在一次操作中，他誤用了自來水，結果（guǒ）竟出乎意料的好。後續進行的定量分析發現，水中的鈣鎂離子濃度會對（duì）熒光增白劑的應用效果產生顯著影（yǐng）響，這一發現幫助當地造紙企業實現了技術突破。
在加拿大訪學的近三年間，張紅傑不斷（duàn）學習和積累科研（yán）經驗，並在結束訪學（xué）回（huí）國後，一直致力於提（tí）升國內的製漿造紙技術。但技術的移植可不是複製、粘貼這（zhè）麽簡單，本土化是一個不低的門檻。2013年，張紅傑（jié）和幾位（wèi）同事到湖南一家造紙企業進行調控化學（xué）機械漿光學性能的生產線實驗，但將（jiāng）試（shì）劑加入（rù）生產線後，紙漿纖維的白度竟比之（zhī）前更低了（le）。
“一看化驗室的數據（jù），我心裏就咯噔一下。”站在車間裏（lǐ），張紅傑緊張得心（xīn）跳加速，“為了支持實（shí）驗（yàn），工廠已經購買了一大批化（huà）學助劑，我們絕對不能失敗。”冷靜下來後，他和現場的外籍專家（jiā）都認為從（cóng）理論上考慮，這種意外不可（kě）能出現。於是，他們和車間工程師一起（qǐ）逆向溯源，終於發現問題出在工廠使用的其（qí）他助（zhù）劑上。當對（duì）生產流水線加以調整，盡量隔離不同助劑的加入點，為助劑留出充分的反應時間後，問題迎刃（rèn）而（ér）解。
“真的是長舒一口氣。那個場（chǎng）景我永遠也忘不了，這份責任太大了。”張紅傑將這一經曆銘刻在心，但這種能夠為企業解決實際問題的收獲感，也讓（ràng）他著迷。
到造紙企業（yè）進行技（jì）術（shù）指導（dǎo）與（yǔ）交流，是張紅傑的日常（cháng）。而造紙企業通常（cháng）地處（chù）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（dào）工廠中，才能讓科研人員對自己所學的理論知識產生感性認識。為此，在天津科技大學任教的13年間，他從不放過（guò）任何一個帶領學生赴工廠實習（xí）的機會（huì）。“隻有親眼看過製漿、造紙的裝（zhuāng）備，親自動手（shǒu）操（cāo）作生產實踐中的每一個環節，才能真正理解書本（běn）上的（de）知識。”
也（yě）正是秉持著這一理念，2019年，張紅傑離開了天津科技大學（xué），進京加入中國製漿造紙研究（jiū）院，將多年積累的科研成果推向生（shēng）產一線。“高校和研究院的研究方向還是存在差別的（de），從我的角度，更希望做一些技術開發工作，為（wéi）本領域（yù）的技術進步服務（wù）。一項新的技術真正利國利民，離不開企業的接（jiē）納和市場推廣。”
藝紙織卷繪青山
提起造紙行業，公眾的（de）第一印象便是高汙染。這個標（biāo）簽，其實源於（yú）早年間我國造紙行業產能分散、工藝粗放的發展階段。“小作坊”式（shì）的造（zào）紙工廠一味（wèi）追求經濟效益，不願也無力對（duì）所產生的廢（fèi）水進行處理（lǐ），直接排放到自然界，造成了環境汙染。
“現代化的造紙工業絕不允許這種行為，我們現在到現代化造紙廠參觀，真正的造紙生產線其實隻占廠區的（de）一小部（bù）分，其他部分更像是一個小型化（huà）工廠和一座汙水處理廠（chǎng）的綜合體。”在中國製漿造紙研究院的實驗室裏，擺放著一（yī）組沙盤，直觀（guān）展現了造紙廢水（shuǐ）的三級處理體係。張紅傑說，現代的造紙業需要實現規模效益，而水的處理和循環能極大降低工廠（chǎng）的運行成（chéng）本。“造紙在不同環節也（yě）需要不斷補充新鮮水，在（zài）工廠內實現水循環是剛需，你（nǐ）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，張紅傑早已開始了對植物纖維基綠色環（huán）保材料的（de）探索。“我其實不太（tài）提倡‘以紙代塑’的（de）說法，其本質應該是不同的材料怎樣協（xié）調地應用。現在外賣（mài）領域的紙餐（cān）具已經不少見了，這裏的‘紙’其實是一種廣義的範疇，以植物纖維作為原材料，製造出不同（tóng）功能的產品，能更好地（dì）滿足環保的需要。”
近三年來，張紅傑牽（qiān）頭在中國製漿造紙研究院（yuàn）組建起包裝材（cái）料研發中心，圍繞植物纖維（wéi）基可降解（jiě）材料的關鍵科學問題開展了一係（xì）列應用基礎研究。
紙（zhǐ）漿模（mó）塑包裝材料便是當下的研究熱點之一。在張紅傑的辦公室裏，擺放著大大小小的紙漿模塑樣品，摸起（qǐ）來與塑料（liào）的手感並無二致的紙瓶，就是由紙漿模塑技術製成（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（chǎn）品、化妝品等（děng）的內（nèi）襯包裝也已經用上了紙漿模塑產品。
不（bú）過，植物纖維對（duì）溫度（dù）、濕度（dù）比較敏感，張紅傑曾接到（dào）一個紙漿模塑企業的求助，原（yuán）本（běn）出廠時合格的包裝產品，運到客戶手中時（shí），由於途（tú）中吸潮發生形變，尺寸變大了100多微米（mǐ）。憑借對紙漿纖維的（de）深入理解，張紅傑迅速意識到問題出在原料的前處理環節，工廠對纖維原料的預（yù）處理沒到位，也沒有考慮（lǜ）加入相應的化（huà）學（xué）助（zhù）劑，最終產品（pǐn）的成型就受（shòu）到了影響。經（jīng）過大半年的研究，張紅（hóng）傑團隊為這家企業優化出適（shì）宜的原料配比和化學助劑，讓產（chǎn）品擁有了優良的形穩性（xìng）。
樣品中最（zuì）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，植物纖維製成的材料內部必然（rán）存在大量孔隙（xì）。張紅傑和團隊努力的目標，便（biàn）是解決（jué）紙基包裝材料普遍存在的阻隔性問題。“防水、防油（yóu）、阻（zǔ）氣，針對不同的阻隔對（duì）象，具體阻隔的原理各不相同，總之‘兵來將擋、水來土掩（yǎn）’。”在與外賣企業聯合開展的“青山計劃”中，張紅傑和團隊已經完成了蛋糕、輕食等幾個大類的外賣餐食紙基（jī）包裝材料的開發指導，調控出優良的疏水疏油性能，並（bìng）正在加緊開發無氟防（fáng）油技術。
從“以量取勝”到綠色環保，張紅傑與我國製（zhì）漿造紙行業一同成長。現在，我國的造紙企業已經（jīng）擁有了最先進的現代化製漿（jiāng）造紙設備，“紙”也已經變（biàn）幻出了各種難以想象的形態。特高壓變（biàn）壓器中有用於絕緣的絕緣紙，超級電容器（qì）裏（lǐ）有紙基隔膜材料（liào）超級電容器紙，汽車變速箱裏有纖維基密封材料，C919大飛機艙（cāng）麵的支撐體則是芳綸蜂窩紙材質……
“我國是造紙（zhǐ）技術的發源地，近年（nián）來，製漿（jiāng）造紙行業（yè）的發（fā）展也非常迅（xùn）速，逐漸追趕（gǎn）上國外現代造紙工業的步伐。期待通過我們造紙（zhǐ）從業者的努力，讓中（zhōng）國的製漿造紙技術再次走向世界。”張紅傑說，未來他還將繼續致力於綠色包裝材料的新技術和新產品開發研究，為我國（guó）“雙碳”戰略目標（biāo）的實現貢獻力量。