中国手工造纸技术的特点

    中国传统手工纸的特性与所使用的纤维原料, 制浆造纸工艺, 生产工具设备和加工方法均有密切的关系. 了解中国传统手工造纸技术的特点不仅使我们对蔡伦乃至历代造纸工匠所发明创造的各种宝贵技术经验所体现的中国人民的伟大聪明才智感到自豪, 而且激励我们对宝贵的民族遗产作进一步的发掘, 整理和研究, 并运用现代科学方法使其得到提高和发展, 真正达到”古为今用”的目的.

蔡伦所发明的造纸术, 在我们古老祖国的大地上, 历经近两千年的沿袭使用, 其间由历代造纸工匠不断地改进和创新, 从而形成了一套完整的工艺体系. 由于手工纸的生产技术与其存在的自然环境密切结合, 故可以因地制宜地利用当地的自然资源作为纤维原料, 化工原料, 助剂和燃料, 并充分利用自然能源如日光, 水力, 蓄力, 地热等作为简单设备的动力和热源, 在生产工艺上采用发酵制浆, 日光漂白等原始而又具有良好效果的生产方法.

我国的造纸术传入西方后, 西方人结合当地的资源条件, 在某些工艺上作了修改. 例如:  因中国用纸药进行流漉的抄纸法没有传到西方, 西方一直使用不加纸药的溜漉抄纸法; 抄纸成形用的竹帘改为铜网, 并将抄成的湿纸用毛毯或白布隔开以便分纸; 同时为了适应钢笔书写的要求, 在浆料内施加松香胶. 后来西方发明的造纸机正是在此种西方手工纸抄造技术的基础上发明的, 而且所用纤维原料只单独使用破布, 而不象中国使用废麻, 树皮, 竹, 草等多种纤维原料. 因此, 西方手工纸无论在产品特性和工艺上均与我国传统手工纸有了显著的差异.

中国手工纸由于长期受封建社会制度的束缚, 对于西方的自然科学在生产中的应用较晚, 对自己原有一整套的生产工艺缺乏科学研究, 技工只凭经验操作. 有许多生产工艺如发酵制浆, 日光漂白, 植物黏液在抄纸中的使用的机理至今尚未xx搞清楚. 由于现代机制纸技术的引进未能与中国原有的传统技术相融合, 而形成两种不同的工艺体系长期并存.近年来在机制纸生产技术领域中出现的微生物制浆, 氧气漂白(又称氧脱木素), 臭氧漂白以及高浓度打浆, 化学助剂的使用等技术, 就其基本内涵来说, 中国传统的手工纸生产工艺都包含有这些新工艺萌芽, 只是中国手工造纸早已创造出的较原始的而又有效的工艺, 没有能够在运用现代科学方法使其得到进一步发掘, 整理, 研究和总结. 弄清这些传统工艺的机理, 不仅可使原有传统技术得到提高, 而且将为开发新技术提供一些有意的启示和经验.

中国传统手工纸生产中具有的技术主要有: 发酵制浆, 分级蒸煮, 日光漂白, 高浓打浆, 使用植物黏液作抄纸助剂, 流漉发抄纸, 精制草浆生产高级纸以及丰富多彩的加工纸技术等八个方面. 现在仅就各地在生产不同手工纸中所涉及的这些技术做一概括的介绍.

(一) 发酵制浆

发酵制浆俗称”沤料”, 这是我国传统手工纸在制浆过程中常用的生产程序. 它是利用自然界某些微生物所分泌的酶的催化分解作用, 将植物纤维原料中的一部分非纤维素物质如淀粉, 果胶, 半纤维素, 木素等分解, 使纤维分离成纸浆. 中国传统手工纸生产在用嫩竹, 草类, 皮类(木本韧皮纤维), 废麻等各类植物纤维原料制浆时, 无论是不经蒸煮的”生料法”, 还是采用常压蒸煮的”熟料法”, 都普遍采用了发酵制浆. 生料法虽然具有利用石灰的碱性来脱除纤维原料中非纤维素物质的化学作用, 但发酵过程是起关键作用的, 实际上生料法就是原始的发酵制浆法. 熟料法制浆虽然以常压蒸煮为主, 但在蒸煮前纤维原料的水浸发酵, 石灰蒸料前的堆置发酵和蒸煮后浆料的水浸发酵都是不可缺少的生产工序. 由此可见发酵制浆在中国传统手工造纸术中的重要地位.

发酵制浆法具有以下一些优点:

1.        节省化学药品和燃料;
2.        设备简单, 造价低廉;
3.        制成的纸浆滤水性好, 有利于抄纸操作;
4.        制成的纸柔软性好, 并呈现悦目的淡黄色, 不用漂白, 也可作一般文化纸使用;
5.        生产的废液对农田无害, 有时还可以改良土壤.

但这个方法也存在一些缺点:

1.        生产周期过长, 一般长达20~80天;
2.        成浆质量不够稳定, 如操作控制不好或发酵过度, 则使纸浆得率降低, 纤维强度减弱.

虽然这种制浆方法还不够理想, 但它适于农村手工业的经济条件, 因此长期以来在我国传统手工纸生产中被广泛应用.

我国古代发酵制浆发虽然历史悠久, 但过去缺乏科学的研究, 总结和提高, 以至于我们对发酵制浆的机理, 至今还存在模糊的认识. 20世纪50年代末和70年代初, 我国的一些科研单位, 高等学校和生产厂曾对草类和韧皮纤维原料的发酵制浆进行过一些探索研究, 对发酵制浆中的微生物菌种进行分离和初步的鉴定, 并研究了影响发酵时间的因素, 在控制工艺条件, 缩短发酵时间等方面取得了一些成果. 但由于对发酵制浆的基础研究不够, 对其作用机理还未充分彻底搞清楚, 在工艺革新上尚未取得突破性的进展.

在关于传统手工纸生产中发酵制浆机理的研究探索方面, 1960年原轻工业部造纸研究所, 上海市轻工业研究所和松江纸厂对浙江富阳生料法制稻草浆的研究, 和最近江西科学院对嫩竹土法造纸木素降解的探索, 已鉴定出发酵制浆中起作用的菌种均属芽孢杆菌属(Bacillus)的xx, 如枯草杆菌(Bacillussubtilis), 短小芽孢杆菌(bacilluspumilus)等. 这类xx均分泌有分解淀粉, 果胶和蛋白质的酶, 其中以果胶分解酶对发酵制浆最为重要.

发酵制浆也称微生物制浆, 是生物技术(或称”生物工程”)在制浆造纸工业中的一种应用. 近年来国内外已将生物技术列入重要高技术领域. 微生物制浆在全世界制浆造纸中日益受到重视. 美国, 日本, 瑞典, 德国等国家均在积极开展现代微生物制浆的科学研究, 有些已经在实验室里取得成功, 并进一步探索工业化生产的途径. 这些研究大多集中与木材的微生物分解木素, 所用的菌种主要为能分泌出木素分解酶的白腐菌(White Rot Fungi), 并已应用与机械木浆的预处理, 以降低磨木时的能源消耗, 纸浆漂白时的酶处理, 以节约化学品的消耗和减少漂白的污染负荷, 控制木浆的树脂障碍以及处理漂白废水的污染等, 并用纤维素酶和半纤维素水解酶分解纸浆中的木糖来改善纸浆的滤水性. 后一种应用与中国传统手工纸生产中的蒸煮后再发酵处理, 其作用是相同的. 在用白腐菌脱除草类木素的研究方面亦有了进展. 中国科学院广州应用化学研究所余惠生等用贝壳状革耳xx(Panus Conchatus)处理稻草已取得了良好的效果. 该项成果曾在1988年北京举行的国际非木材制浆造纸会议上发表, 受到国内外造纸学者的广泛重视, 但目前还未在制浆生产中使用.

值得注意的是木本韧皮纤维的微生物制浆研究已取得了重大的进展. 20世纪80年代日本工业技术院四国工业技术试验所的小林良生等人对构皮, 三桠皮等韧皮纤维的微生物制浆进行了系统的研究, 发表了不少的研究报告和专利, 并已成功地用于”和纸”的生产中. 据报道, 用一种分泌果胶分解酶的芽孢杆菌浸渍三桠皮, 只用三天时间即可完成制浆.

通过上述国内外现代微生物制浆研究的进展, 令人联想到我国传统手工纸中福建, 江西等省用嫩竹生料法制成的文化用纸, 如毛边纸, 玉扣纸等就是世界上最早成功地用于微生物制浆生产出的可供书写, 印刷用的纸张, 这类纸的生产一直保留到现在. 中国传统手工纸生产的发酵制浆如能克服其生产周期长和质量不稳定的缺点, 对于解决造纸工业的节约能源和减少环境污染这两大问题将产生深远影响. 因此中国手工纸长期沿用的发酵制浆法具有强大的生命力, 值得我们造纸工作者予以足够的重视, 通过艰苦的研究和探索, 使这一宝贵的文化遗产得以总结提高, 使其在未来制浆造纸工业生产中发挥重要作用.

(二) 分级蒸煮

中国传统手工纸所用的漂白纸浆除部分皮类原料用碱液进行一次蒸煮外,所有的嫩竹, 草类和部分皮类原料都采用分级蒸煮发来制浆.

所谓分级蒸煮法就是先将纤维原料用石灰乳液浸渍后尽心一段时间堆置发酵后再送入”常压蒸煮器”内进行蒸料, 利用石灰乳的碱性将纤维原料中一部分非纤维素物质如淀粉,果胶, 半纤维素, 鞣质和一部分木素分解,经洗涤溶出后再用碱液进行蒸煮, 将主要的木素溶出, 而避免果胶等将色素再粘附在纤维上, 这样处理的纸浆容易漂白,同时可以节约蒸煮用碱. 特别是对于竹类和草类原料, 所含木素比麻类原料多,直接用碱进行一次蒸煮, 不仅耗碱多, 而且容易生成难于漂白的物质,使成浆颜色加深, 使漂白使用药增多, 造成产品成本提高.用石灰和碱进行两段蒸煮, 即可避免上述缺点. 由于石灰在农村可就地取材,价格低廉, 而用碱大多要外购, 其价格比石灰要高得多.因此农村手工业生产的条件下, 这种处理方法无论从技术上, 经济上或环保要求上来评价均是合理的. 这种方法的缺点是使生产程序复杂化,操作上耗费劳动力较多.

我国土法生产的高级手工纸, 如宣纸, 连史纸等由于对成纸的白度和耐久性要求高,一般在用石灰蒸料后, 还要采用2~3段碱液蒸煮.采用如此多段蒸煮来处理纤维原料, 由于每次用碱量少, 作用条件比较缓和, 对纤维素降解减少,而有利于成纸的耐久性. 因此分级蒸煮法是中国传统手工纸在用常压蒸煮设备的条件下所采用的一种有效的生产漂白纸浆的方法. 在1958年, 我国一些小型机制纸厂为了解决当时用碱缺乏的困难,也曾经使用分级蒸煮发来生产漂白草类纸浆.

中国手工纸生产所用的分级蒸煮发历史悠久, 在明代宋应星所著的<天工开物>一书的”杀青篇”中所介绍的福建嫩竹制浆方法就是分级蒸煮法, 一直到现在仍被我国南方产竹地区用来生产熟料纸浆.

另外值得一提的是安徽泾县宣纸生产中由于石灰与碱在分级蒸煮过程中产生的碳酸钙,积留在有皱纹的青檀皮纤维表面上, 而意外地对宣纸的润墨性起了有益的作用. 含有这种生成的碳酸钙微粒的宣纸, 在吸墨时呈晕状化开, 而不含这种碳酸钙微粒的纸张, 在吸墨时呈放射形化开.分级蒸煮的这种附加作用也很值得重视.

总之, 分级蒸煮法对于使用常压蒸煮设备, 用石灰和碱对嫩竹于草类纤维原料进行化学制浆,是一种适于农村生产条件和切实可行的有效工艺, 值得进一步深入研究, 搞清起作用机理, 并运用现代制浆技术予以改进和提高.

(三) 日光漂白

日光漂白是我国古代漂白纸浆的传统方法, 在一些要求耐久性好的高级手工纸, 如宣纸, 连史纸等的生产中仍在沿袭使用. 它的作用机理尚未经过深入的科学研究.一般认为是含有水分的纤维受到日光中紫外线照射产生的臭氧, 因其具有强的氧化作用, 将浆料中残留的木素氧化使浆料变白. 由于不使用含氯漂白剂,同时又是在缓和的反应条件下进行的, 纤维素不会降解, 所以制成的纸具有耐久性和不存在污染环境的优点. 其缺点是生产周期长, 一般长达3~6个月, 同时还要具备有摊晒浆料的场地, 对于大规模生产是不适用的.

自1799年美国发明漂白粉后, 国外用漂白粉漂白纸浆成为机制纸生产的主要漂白法.清朝末年, 我国传统手工纸生产中亦逐渐改用漂白粉或漂白粉精来漂白纸浆, 使生产周期大大地缩短, 但也带来了因使用不当造成纤维素氧化降解,纸在储存和使用中发生返黄现象, 是一部分高级手工纸的耐久性严重下降. 自1936年以来, 机制纸生产中出现了多段漂白方法,由于设备及操作均比较复杂, 只有在少数手工纸如白棉纸的生产中用简易设备来使用. 1946年国外出现的二氧化氯漂白, 对纤维素具有选择性,是比较好的漂白剂. 日本在手工纸中用亚氯酸钠加酸生产二氧化氯用于皮类原料的漂白, 取得了良好的效果, 在我国手工纸生产中尚未有采用.近20年来国外由于环境保护要求日益严格, 机制纸生产已趋向用含氧漂白剂取代含氯漂白剂,已开发出氧气漂白或称”氧脱木素”, 双氧水(过氧化氢)漂白和臭氧漂白等新技术. 氧气漂白和臭氧漂白与中国手工纸生产的日光漂白具有相同的作用,对于改进手工纸生成的日光漂白很有借鉴价值. 有人提出用人工紫外线代替日光进行氧气漂白来缩短生成周期的想法还有待于通过试验研究,寻找能在实际生产中行之有效的方法.

总之, 日光漂白可以说是现代氧气漂白(氧脱木素)和臭氧漂白技术的萌芽, 由于过去缺乏深入的科学研究, 因此如何缩短其操作时间并使浆料保持良好的耐久性,仍是一项有价值的研究课题.

(四) 高浓打浆

打浆是造纸工业中构成纸页并决定其物理性能和机械性能的关键. 纸页是由于纤维分子之间的氢键通过水桥自行缔合而成的. 古代造纸称打浆为捣料, 是利用人工或自然力将浆料舂打, 捣碎,成为纤维疏解的纸浆, 同时部分发生分丝帚化和润胀水化现象. 通过缔结,使造纸过程中纤维的表面增加氢键的结合, 从而使纸的强度提高. 中国传统手工纸的生产中所用的工具设备如杵臼, 椎, 碾等均是将农村粮食生产中常用的工具设备移植到造纸生产中的.在打降时纸料一般是呈潮湿的固体状态, 其水分含量一般为60~70%, 故手工纸的打浆方法属于高浓打浆. 纤维通过舂打, 摩擦, 撕裂而离解并部分产生分丝帚化,但水化作用不强, 而滤水性强, 适于手工抄造操作.对于草浆和能竹浆来讲, 由于在高浓度下打浆避免了过度水化和切断, 同时又能将絮集在一起的杂细胞打散, 便于在进一步洗浆时被除去,从而提高了浆料的净化程度和滤水性.

自从1680年荷兰式打浆机发明后, 打浆的操作条件发生了重大的变化.纤维在打浆机的飞刀与底刀之间受到切断, 压溃, 摩擦等作用, 同时打浆时浆料的浓度一般只有3~6%,碍纤维润胀水化作用得到加强, 可以生产出各种不同性能要求的纸张, 扩大了纸的用途范围. 在打浆机打浆过程中,纸的一些机械强度如裂断长, 耐破度, 耐折度等均得到提高,但撕裂度因纤维被切短而降低, 同时浆料的滤水性恶化. 在1964年,W. B.West为了解决低浓度打浆存在的缺点提出了在机制纸生产中采用高浓度打浆的新技术.现代高浓度打浆所用的高精度的高浓盘磨机当然不能与古代的简单高浓打浆工具设备同日而语,但就其高浓度对成纸物理和机械性能的影响方面均有相似之处. 中国传统手工造纸术能用草浆生产出高级纸, 亦与在高浓度下打浆有关. 由于高浓打浆只有对纤维束起离解作用和一定程度的帚化作用, 而没有对纤维产生过度水化作用, 因此草浆经过洗涤筛选除去杂细胞后,浆料的滤水度便显著提高, 而水化读提高甚微.服务如果使用打浆机来打草浆,由于杂细胞的存在以及浆料中含半纤维素较多的原因, 使打浆读很快地提高, 同时纤维充分润胀水化后, 造成的纸干燥后便发硬,响声大, 吸水性差, 而且容易变形,从而失去了手工纸的特性. 在现代手工纸生产中使用打浆机的不够普遍, 有些用简易结构的打浆机, 多用于打浆后纤维的疏解和调料,使用最多的打浆设备还是以动力椎或碾为多.
由此可见, 传统手工纸生产所用的打浆工具设备虽然落后, 但其用高浓度打浆的工艺条件都有明显的良好效果, 如何引用现代高浓打浆设备来提高工作效率并保持其成纸的优良特性将是传统手工纸生产的改进方向.

(五) 使用植物黏液作抄纸助剂

抄纸时用植物黏液作为助剂, 是中国手工纸同时也是东方手工纸与欧美手工纸抄纸方法的主要区别. 植物黏液的资源丰富, 品种繁多,但它们具有一些共同的特性, 即: 滑性,悬浮分散性, 阻滤性和热分解性. 古人在长期的生产实践中,发现, 认识和充分利用了这些特性, 从而使其在手工抄纸中医治各种纸病发挥了巨大的作用,因此被称为”纸药”.

关于植物黏液使用的开始时间, 根据一些日本纸史专家的研究, 大多认为纸药的发明始于蔡伦. 关于植物黏液的作用机理, 在我国长期都未做过深入的研究.在这方面,日本的造纸工作者走在了我们的前面. 早在1943年日本的小栗捨藏对黄蜀葵黏液进行过详细的研究, 不仅弄清了化学组成, 并对其显微结构做了观察.发现黄蜀葵黏液呈网状结构, 网目是五角, 六角直和圆形不等,同时通过实验发现, 黏液的黏度因存放时间加长而递减. 存放一周后,网目稀少, 因而在抄纸中的效能也随之减退. 其次,黏液的黏度, 网度也随温度的增加而下降. 日本的”和纸”正是利用黄蜀葵黏液的这种特性在以木本韧皮纤维抄造精美的薄型皮纸中发挥了重要作用.

抄纸用植物黏液均由农作物或xx生长的植物根, 茎或叶部提取, 因受气候及其他条件的制约, 时常供应不正常,因此促使日本对合成化学黏液进行研究. 1953年至1954年间研究出用聚丙烯酸钠作为黄蜀葵黏液的代用品, 继而在1957年至1958年间又研究使用多磷酸钾作为合成化学黏液. 这两中化学黏液的性能还不够理想, 1964年又研究用聚氧化乙烯(PEO)作为抄纸用黏液, 取得了满意的结果, 不仅在手抄”和纸”生产中使用, 而且在日本机制”和纸”中亦得到推广. 我国于1970年在杭州扬伦纸厂开始试用, 对于薄型皮纸的生产技术是一个重要的革新, 但当时因PEO价格较高,在经济上不够理想. 1981年杭州的新华纸厂又试用聚丙烯酰铵(PAM)作为助剂用于薄型皮纸的生产, 并解决了过高的成本问题,从此在杭州薄型皮纸的生产中得到了推广. 由于目前我国聚丙烯酰铵及聚氧化乙烯的价格仍偏高, 加之有的用户对这类物质尚少认识, 故在手工纸生产中尚未得到广泛应用, 植物黏液仍是手工纸生产普遍使用的助剂.