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从发酵到蒸煮,从捶打到水碓,我国为世界造纸发展作出的伟大贡献

2020/10/06

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我国劳动人民自从汉代发明纸以后,通过二千多年来对造纸技术不断革新和创造,终于形成一套完整的造纸工艺,造出各种高级纸张,为现代造纸工艺打下了坚定的基础。了解造纸技术的发展过程,弄清怎样从只能造粗糙的土纸到能够造高级纸张,也许是很有兴趣的。当然要了解造纸技术的发展过程,首先要懂得造纸的基本原理,这里先做一简单介绍。

一、关于造纸原理的简单介绍

纸是纤维制品,但它的结构与纤维经纬交织的织物不同。如果把一个小纸片放在高倍显微镜底下,就可以清楚地看出许多纤维不规则互相交叠在一起,说明纸是许多植物纤维不规则地交叠在一起的薄片。

纤维怎会不规则地互相交叠成扁平的薄片呢?原来这是靠水帮忙,植物纤维经过蒸煮和舂捣之后,搀上了水,形成植物纤维与水的混合液,也就是纸浆,再让纸浆通过能够滤水的物件(如筛网或篾席),把水漏掉,在上面留下薄薄一层由植物纤维交叠的薄片,这种薄片干燥后就是纸。所以造纸分两个步骤:第一步是制造纸浆,第二步是纸浆通过滤水物体形成薄片,而制造纸浆又是造纸的一个首要环节。纸张的质量主要是由纸浆的质量决定的。现在让我们看看,纸浆怎样从最原始的阶段发展到能够制造高级纸的阶段的?

二、分离纤维技术——从发酵到多级蒸煮

纸浆是植物纤维与水的混合物,严格地说应该是植物纤维素与水的混合物,制造纸浆的第一步当然是取得植物纤维素。纤维素是植物纤维细胞壁的组成部分,它与木质素、果胶和半纤维素等长在起,组成了纤维细胞的壁而整个纤维中纤维细胞与纤维细胞之间的胞间层又充满了木质素,也就是说整个纤维细胞又被木质素包围着。要取得植物纤维素一个简单的方法是用机械的办法,通过磨木机的机械作用,使纤维素与其他成分拆开来。

现在新闻纸就是通过磨木机的作用使纤维素分出来进行制造的。但用这种机械的办法制成的纸浆质量并高。因为纸浆中除纤维素外,还有本质素、果胶、半纤维素,仅仅是纤维素其他成分分开罢了。木质素与果胶都是造纸的有害杂质。所以用这种纸浆造成的纸如新闻纸,时间长了,就发黄变色。因而比较合理的办法是设法去掉木质素和果胶,从而使纤维素分离出来。

在我国古代虽然不了解这个道理,但在实践过程中却逐步采取各种有效的办法把有害杂质去掉,使纤维素分离出来,得到比较好的纸浆,制成质量较高的纸张,从而为现代化学制浆技术打下了基础。

最早分离纤维是采取浸沤的办法。周代的《诗经》就有“东门之池,可以沤麻”“东门之池,可以沤苧”的诗句。这里的麻和苧都指的是麻类植物,人们分离纤维的办法就是把麻浸在池子里,由于池水不流动,长期在日光照射下水温升高,为水中微生物繁殖创造了条件。这时微生物就以果胶为营养,迅速繁殖,从而达到脱胶的目的。纤维中果胶脱掉后,木质素也就松动了。时闻一长,纤维素就分离出来。这说明早在三千年前的周代已经用浸沤的办法分离纤维。当然当时纸还没有发明,那时的分离纤维是为了制造麻纺品,不过后来造纸开始时也沿用这个办法。

这种用微生物发酵分离纤维的办法,木质素不容易去掉,需要很长的发酵时间,显然不是一个好办法。后来发现沤丝时加入草木灰和蜃灰进行脱胶效果比较好,就在沤麻过程中,也加入同样物质,结果大大加快分离纤维的速度,因为草木灰是碳酸钾,蜃灰是氧化钙。这两种物质的水溶液都是碱性溶液,加上氧化钙溶于水还有放热作用,使水溶液的温度增高。这样比较热的碱性溶液不仅溶解果胶,对木质素也有溶解作用。我国在战国出书的《考工记》里说有沤丝时以楝为灰和“淫之以蜃”的记载。这说明至迟在战国人们已经用草木灰和蜃灰进行丝的脱胶了

麻纤维什么时期开始用这种方法脱胶,文献没有记载,但根据湖北江陵凤凰山出土的西汉苧麻絮的分析,纤维表面附有很多的钙离子,说明至迟在西汉麻纤维已用碱液脱胶了。

加碱脱胶图

当然,蜃灰加到水里,水温增加得并不高,而木质素在高温碱液中,化学反应才进行得比较迅速,后来在实践中采取碱液高温蒸煮的办法,大大缩短分离纤维的时间,效果也比较好,从此纤维分离技术达到个新阶段。我国何时开始采用高温蒸煮,也没有文献记载,但根据三国时吴人陆巩在《毛诗疏》中提到蒸煮苧麻的情况时,曾有“括其皮(指苧麻),厚皮自脱,但得其韧如筋者,鬻(煮的古代异体字)之用缉”的记载,说明至迟在三国以前的东汉已开始用蒸煮的办法提纯植物纤维了。

化学蒸煮虽然可以很好地去掉木质素,但同样也会损伤纤维素。如果蒸煮的时间过长、温度过高、用碱过多,纤维素也会大量溶解于碱溶液,影响纸浆的得率(收获率)和质量。而在温度低、用碱少的情况下蒸煮时间不长,又达不到预期的效果。因此单靠蒸煮,还不是理想的办法。经过长期的摸索,反复的实践,人们终于发明多级处理的方法。

造纸蒸煮图

多级处理的方法主要是将多种分离纤维的方法结合在一起,提高分离纤维的效果。造纸原料先浸泡在水中进行沤料,再把沤过的原料进行碱液蒸煮,素煮一次不够,可以反复多次,然后把原料再堆积发酵,最后加以洗涤,舂捣成浆。明代《天工开物》中详尽介绍多级处理纸浆的全过程,造纸生产中应用多级处理的方法当然要更早一些。

这里需要说明的是发酵制浆的方法,尽管它有发酵时间长、占地面积大等缺点,但是由于生产成本低、损害纤维的程度轻、纸浆的得率高,因而仍被采用,一直沿用至现在。目前福建、江西等地区以竹为原料手工生产的毛边纸、玉扣纸等淡黄色文化用纸,就是使用石灰浸渍和水浸发酵等传统方法。

现代造纸生产中,除掉碱法制浆外,还有酸法制浆,用亚硫酸盐和亚硫酸的混合酸性溶液蒸煮原料,让造纸原料中的非纤维素溶解在酸溶液中,分离出原料中的纤维素。这种酸法制浆,我国至晩在明末清初已经开始,《太平清话》就有“用小便浸稻草”制纸浆的记载。小便即人尿,它含有尿基盐,呈酸性。如果将浸过人尿的稻草堆积起来,利用空气中的微生物让它发酵,同时小便中的尿基盐也逐渐渗透到稻草的内部,溶解掉部分非纤维素,然后再进一步蒸煮制浆,这种人尿浸稻草的方法可以看成是酸法制浆的先河。

在这以后的二百年左右,1866年国外才发明了亚硫酸法制浆,也就是酸法制浆,1874年这种酸法制浆才正式投入生产。人尿浸渍的方法简便易行不要化什么成本,因而直到今天,杭州市郊富阳地区的广大农村中手工制造竹纸时,还使用人尿浸渍竹料的方法。

采集造纸原料图

三、细化纤维技术——从捶打到水碓

造纸原料经过蒸煮后得到的纤维还不能直接用来造纸,因为这些纤维之间没有亲和力,即使把它们交叠在一起,也不会形成薄片。要叠在一起的纤维互相结合,还要经过一番机械处理。原来纤维之所以能结合在一起是由于纤维素分子含有亲水的氢氧基(-OH),当两个纤维素在水中互相靠近时,纤维素氢氧基中的氧原子都把水分子H-O-H互拉在一起。

这时水分子就起了媒介作用把两个纤维素连在一起,水分蒸发后,水分子跑掉,而这两个纤维素之间就形成氢键,使纤维素结合在一起。这就是纤维叠在一起,脱水后,紧紧地形成薄片的道理。可是纤维素有一层外壳,把氢氧基紧紧包在里面,所以必须用捶打、舂捣或其他方法把这个外壳打破,使纤维细化让氢氧基暴露出来,才能形成氢键。这种打击纤维的技术叫做打浆。下面让我们看打浆技术的发展过程。

用手打浆图

我们知道造纸开始是仿照水中击絮的办法将沤麻时散在水中的麻缕进行捶打。虽然击絮是为了将坏茧的丝絮打散,而造纸的捶打却是为了把纤维素的外売打破。作用虽然不同,但这种无意的模仿却为造纸打开了大门。可是这种水中捶打的办法,一部分力气用在拍打水浆上面,打在麻缕上面的力量不够大,而且打在麻线上的力量也不能太重,一重席子就会被打破。在这种情况下,纤维素的外売破坏得不够彻底。用这种原料造纸,当然所造的纸交织不紧,质地粗糙。

后来,人们通过实践,发现造纸的纤维不一定要在水里面捶打,只要将纤维浸湿,放在石头上面捶打,照样将纤维细胞壁破坏,而且效果更好。因为既没有水的阻力,又没有打破席子的顾虑,敲打在纤维上的力量要大得多。捶打后的纤维再放进水里。当然要把纤维敲打到可以造纸地步,还是需要用足力气反复捶打好多次才行。是不是有更省力的办法呢?

用脚打浆图

通过长期实践人们终于发现采用舂米的方法舂捣造纸原料,比捶打的效果好得多。因为捶击是利用挥动的棍棒打在纤维上面,将纤维打松,而舂捣除了手臂向下压的力量,还加上杵棒的重力作用,纤维受到的压力比捶打大得多,面且舂捣还对纤维进行撕拉作用,把纤维打散、切断。纤维疏解的程度比用捶击的方法高得多。从插打到捣,是造纸技术的一项重大进步。

什么时期用舂捣的办法造纸现在已无从稽考。但人们早在新石器时代就用石臼春米,掌握了舂捣的技术,估计用臼捣造纸原料也不会太退。文献上提到最早捣纸的是蔡伦。有关蔡伦采用捣、挫、抄等技术进行造纸的记载屡见不鲜。后来有人就认为捣纸始于蔡伦。近来根据灞桥纸的激光分析,发现有硅元素存在。这说明西汉纸尚处于早期阶段,已开始用石器处理造纸原料了。

脚踏踏碓图

后来发明一种用脚踏的踏碓,代替用手舂捣的手碓。用脚代手,既省力,力量又比较重,效率提高了好多倍。踏碓始于何时,现在也无文献可考,但东汉桓潭《新论》中曾提到“伏羲制杵臼之利,后世加巧,借身践踏,而利十倍”。从这里可以看到东汉时已有踏碓,踏碓何时用于造纸,虽然还没有查到有关记载,但既然踏碓比手碓省力,在踏碓发明后,人们不会不用它来代替手碓舂捣纸浆,因而估计用踏碓捣纸也不会太退。

踏碓虽然省力不少,但是毕竟是用人力,后来人们用水力代替人力,又出现了水碓。《三国志》中就有“使治屋宅,作水碓”的说法,看来三国时代人们就已懂得用水力作动力进行舂捣。《晋书》中还详细介绍过名叫“连机碓”,实际上就是水碓的作方法:“今人造作水轮,轮轴长可数尺,列贯横木,相交如滚抢之制。水激轮转,则轴闻横木间打所排碓梢,一起一落之,即连机碓也。”

古代的造纸作坊大都近山傍水,当然有条件使用水碓。水碓的原理相当简单,主要利用水位落差,使水轮转动,带动石碓连续不停地春捣。元代《蜀笺谱》中介绍宋末四川地区采用水碓造纸时说:“江旁凿自为碓,上下相接,凡造纸之物必杵之使烂,涤之使洁。”这就很清楚地表明,水碓造纸不会晚于宋末。水碓打浆利用水力进行机械运动,大大减轻了劳动强度,在有条件的手工造纸地区广泛采用。

疏解造纸原料纤维,从人力到水力,发展到今天的机械力,这是造纸技术发展在不断进步,纤维疏解的程度也随着动力的发展而逐步提高。纸张的品种在很大程度上取决于大将的情况。今天纸张的品种远远超过古代,对打浆提出的要求也更多、更高、更复杂。现代的打浆机中已发展到拥有几十把刀片的“飞刀辊”以及与之相应之处装上15-30把刀片的“底刀匣”,依靠这几十把固定的底刀和运转的飞刀对纤维进行疏解,从而造出千种万类的纸张。比起古代舂捣纸浆,现代打浆当然要先进得多,但是现代打浆的原理与古代舂捣纸浆的原理完全一样,人们不难看出其中的渊源关系。

四、结语:

蒸煮和捣是我国古代制造纸浆技术的前后接的两个工序。二千多年前的汉代,我们的祖先就已经发明了蒸煮和捣,这确实是一项了不起的创造。二千多年过去了,现代世界上的造纸已在广泛使用碱法或酸法化学制浆酶法制浆以及机械打浆、连续打浆,但这些制浆方法其实都觞于我国古代的化学蒸煮、发酵制浆以及捣打浆,从这里也可以看出,我们中华民族的祖先以自己卓越的聪明才智为世界造纸业的发展所作出的伟大贡献。

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