一张纸上的历史和化学秘密！
浙江、江西、福建三省作为毛竹的主产区，长期以来一直是我国造纸工业最发达的地区。20世纪初，中国造纸工业处于手工向机械化转变阶段，但直到九一八事变前夕，手工造纸产量仍高达70%。虽然这些纸张质量一般，甚至连报纸都印不出来，但农村对卫生纸和祭祀纸的大量需求只能勉强维持从业者的生计，东北是重要的目标市场。
但东北沦陷后，日本很快在此建立造纸厂，工业用纸逐渐在当地市场上挤走南方竹纸，并进一步南侵华北。传统手工纸市场急剧萎缩，从业者很快陷入亏损，几十万人被迫从小资产阶级转为无产阶级。
在造纸术领域，中国古代工匠可谓是全世界同行的老师。据史书记载，东汉的蔡伦是纸的发明者，但实际上，大量证据也表明，西汉时期就出现了原始的纸。袁汉卿先生经过考证认为，合理的诞生过程是漂白工艺启发了造纸技术。
最早的纸其实是蚕丝，是动物蛋白纤维，不是植物纤维，这也可以解释为什么纸的部首是“易”。当然，蔡伦在造纸术上也贡献良多，也许他最大的贡献就是在此基础上加以发展，使纸成为一种大众化的“商品”。
汉朝衰落后，朝鲜和日本是最早向中原学习造纸术的邻国。唐朝时期，对外交流越来越频繁，吐蕃和东南亚也学会了造纸术。相传在唐帝国与阿拉伯帝国的一场战争后，阿拉伯人从几个战俘那里学会了造纸术。从此这项技术一路向西，在12世纪通过伊比利亚半岛进入欧洲大陆，并在16世纪随着新大陆的殖民者传播到美洲。
然而，地球是圆的。经过文艺复兴和工业革命，欧洲人在19世纪来到中国，带来了先进的造纸机器和造纸理论，并向昔日的老师“取经”。
毫无疑问，这位在造纸术上屹立不倒一千多年的老师，这次被打败了。除了宣纸等少数纸制品更适合用毛笔书写之外，其他缺点都很明显。于是，在轰轰烈烈的洋务运动中，一些开明的地方长官引进了造纸机器，开始通过学习西方技术来生产纸张。
而对近代化学几乎一无所知的晚清工匠，即使学会了如何操作造纸机，也无法做出优秀的纸张。传统造纸工业使用的竹浆和石灰并不适合这些机器，所以为了开动这些机器，这些洋务工厂不得不从欧洲国家进口木浆、烧碱、漂白剂等各种化学品。
说起来，纸的化学成分并不复杂，主要是纤维素，一种由葡萄糖串联而成的链状聚合物。
在自然界中，纤维素是最具生产力的有机物。粗略估算，各种农作物、花卉、藻类、森林每年可生产数百亿吨纤维素，称之为人类取之不尽的原料银行并不为过。
但各种植物产生的纤维素并不是纯的，而是和其他物质混合在一起，形成秸秆或树干。对于植物来说，链状的纤维素就像钢筋，支撑着它们，经得起风雨，翱翔在岩石之上。然而，柔性纤维素也需要几个助手来提供刚性，其中最重要的两个是半纤维素和木质素。如果说纤维素是一根笔直的钢筋，那么半纤维素就像是各种钢筋弯头。至于木质素，它是一种有粘结性的混凝土，所以搅拌形成的秸秆就像建造高层建筑的钢筋混凝土。
所以造纸的过程就像是从坚硬的钢筋混凝土上剥下笔直的钢筋，然后叠加起来形成一张张钢网。显然，这不是那么容易实现的。
起“混凝土”作用的木质素，是造纸中极难对付的敌人。在手工造纸时代，木质素必须通过浸泡、蒸煮、打浆等过程一点一点地去除。
但是木质素有粘性，用洗擦的方法还是很难去除。所以中国古代人经过长期的实践，终于发现锅炉灰是一种很好的清洗剂，但是没有人能解释清楚原理。
其实从化学的角度来说，这也很好理解。木质素主要是多酚类物质，呈酸性，而锅炉灰中含有大量碳酸钾，呈碱性，可以中和木质素，使胶体分子更易溶于水。
后来随着石灰开采技术的逐渐成熟，更多的碱性石灰粉取代锅炉灰，成为造纸中更常用的中和剂。
但到了19世纪，西方炼金术已经成为过去，元素周期表出现雏形，经典酸碱理论也在这一时期建立。欧洲人学会了生产氢氧化钠，翻译过来就是“苛性钠”。与石灰中的氢氧化钙相比，不仅碱性更强，而且中和后不会产生沉淀，所以不会在纸上形成污渍。
然而，现代化学对造纸术的推动并不仅限于此。包括木质素在内的很多有机物都有颜色，这对于成品纸，尤其是书写纸来说，并不是一件好事。如果不够白，看起来就不会那么舒服。
为了制造白纸，古代人不得不将纸暴露在阳光下，利用紫外线的力量实现漂白。但是，有了化学知识的帮助，漂白就没那么难了。只要加一点氯，卡其色的纸就能很快呈现雪白。
但是氯气使用和运输都不是很方便，所以由氯气和氢氧化钠反应而来的次氯酸钠就大有用武之地。只有一点，使用次氯酸钠时，需要一些硫酸进行酸化，这样漂白更有效。当然，这背后的化学知识也不难解释。次氯酸盐的漂白作用源于它的强氧化性，酸化过程可以强化它。
然而，即使有了这些新鲜的洋玩具，这些洋机器也只能靠吃洋木浆吐出“本地”的机制纸，这也让当时的造纸工人感到困惑。实际上，每种植物生产的纸浆都是纤维素、半纤维素和木质素的混合物，虽然主要成分相似，但纤维长度等参数是造纸机设计时需要考虑的关键因素。
这个看似简单的问题，对于当时积弱积贫的晚清政府来说，即使有能工巧匠也帮不上什么忙。直到新中国成立，才出现了专为竹浆设计的造纸机。
(作者:孙亚飞，清华大学化学系博士，科普作者，原创作品，转载请注明知识就是力量)
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编辑:刘伟琼
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