我與纖維形態(tài)研究的四十年

王菊華

我于1951年考入四川大學(xué)，1955年畢業(yè)后分配到當(dāng)時的輕工業(yè)部造紙工業(yè)科學(xué)研究所。從1955年參加工作到2019年的今天，在造紙纖維形態(tài)領(lǐng)域的研究已經(jīng)整整持續(xù)了64個春秋。工作之初就參加了從1956年到1967年的輕工業(yè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，并開始了對中國造紙?jiān)系睦w維形態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)的觀測和研究工作。這項(xiàng)工作的啟動為中國造紙工業(yè)的科研與生產(chǎn)提供了一個嶄新的微觀視角，為提高國內(nèi)的技術(shù)研究水平打開了一扇新的大門。1963年，我發(fā)表了個人的第一篇論文“重量平均纖維長度測量方法的運(yùn)用”。1965年10月，我作為主要編寫人之一出版了中國第一本比較全面的《中國造紙?jiān)侠w維圖譜》。1993年12月我?guī)ьI(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制成功了第一臺由我國自主研發(fā)的XWY-II型纖維測量儀。

1978年黨的十一屆三中全會勝利召開，從此開啟了國家改革開放之路。40年來，國家對科技創(chuàng)新的鼓勵政策不斷加強(qiáng)，國家科技水平、科技研發(fā)能力、科技的整體綜合實(shí)力都有了明顯提高。這在纖維形態(tài)領(lǐng)域的研究中也得到了充分體現(xiàn)，將計(jì)算機(jī)技術(shù)逐步運(yùn)用到纖維分析工作中，使纖維形態(tài)分析從繁重的手工操作過度到機(jī)器的計(jì)算處理，又從機(jī)器的計(jì)算處理跨越到自動的圖像處理，今后還要進(jìn)一步引入人工智能技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對圖像的自動識別。

早在20世紀(jì)70年代，芬蘭就率先研制成功了自動纖維分析儀，幾千根纖維的纖維長度僅用1分鐘即可測量完畢。而在當(dāng)時，我們的測量手段還是全手工操作：在顯微鏡下用目鏡測微尺對纖維進(jìn)行一根根的測量。由于各種纖維原料的纖維長度很不均勻，測量的纖維數(shù)量太少，結(jié)果就會很不準(zhǔn)確，因此，規(guī)定每個樣品都要測量不少于200根纖維，并要計(jì)算平均長度。當(dāng)時的計(jì)算工具主要是算盤和計(jì)算器。一個操作熟練的工作人員完成一個樣品的測量和計(jì)算一般需要半天的時間，長時間的顯微鏡下操作使工作人員常常感到精神疲勞和視力疲勞。

改革開放讓我們開始了解國外的先進(jìn)技術(shù)，有機(jī)會吸收國外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，也讓我們看到了差距，更使我們感到改善測量手段是一項(xiàng)迫在眉睫的任務(wù)。在研究院各級領(lǐng)導(dǎo)的大力支持下，投資將近90萬元為我們纖維形態(tài)課題組引進(jìn)了一臺芬蘭產(chǎn)Fs-100kajiani纖維分析儀（圖1）。在當(dāng)時，90萬元是一個很大的數(shù)字，但這臺儀器外表看著卻很簡單：兩個不大的鐵盒子和一個毛細(xì)管漏斗。當(dāng)時國內(nèi)的科研水平和制造技術(shù)，使我們還遠(yuǎn)達(dá)不到自行研發(fā)生產(chǎn)這樣儀器的水平，技不如人，只能花高價(jià)購買這個外表看著“沒那么值錢”的設(shè)備。

落后就要學(xué)習(xí)，經(jīng)過仔細(xì)地研究、操作和使用后，我們認(rèn)為這臺分析儀沒有什么了不起的，于是就試著仿制。但仿制的過程很不順利。首先，毛細(xì)管漏斗的加工精度要求非常高，我國當(dāng)時根本沒有這樣的加工能力;另外，圖像采集很難實(shí)現(xiàn)，無法加工出專門的偏振光起偏器和檢偏器;再有，F(xiàn)s-100kajiani纖維分析儀主要是用于纖維長度的測量，不能用于纖維配比等方面的分析。儀器的檢測速度雖然很快，但是項(xiàng)目單一，儀器有很大的局限性，從而使其性價(jià)比的問題更加明顯?？紤]到我國造紙用纖維原料品種更加復(fù)雜，實(shí)際檢驗(yàn)工作中對纖維配比的檢驗(yàn)需求也很多，于是我們決定另辟蹊徑，走圖像觀察和自動測量相結(jié)合的道路。經(jīng)過一系列的探索，在多方的努力和幫助下，用成像系統(tǒng)和測量系統(tǒng)代替了Fs-100 kajiani纖維分析儀的兩個鐵盒子，用投影儀替換了偏振光檢測器，在保留了原來圖像觀察功能的同時大大方便了測量操作。設(shè)備還增加了一項(xiàng)新技術(shù)——光柵傳感器，用摩爾條紋的原理把長度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺疵}沖信號），這就實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)的自動采集和計(jì)算。1993年12月，終于研發(fā)成功了中國自己的纖維分析測量儀器——XWT-II型纖維分析儀（圖2）。

儀器一面世就受到各方重視。鑒定會上專家們建議盡快推廣使用;中央電視臺當(dāng)天對鑒定會及這一成果做了報(bào)道;輕工業(yè)部將設(shè)備列為當(dāng)年主要的科研成果之一，并頒發(fā)了科技進(jìn)步獎;標(biāo)準(zhǔn)化中心將這臺設(shè)備所涉及的測量方法一一光柵纖維長度測量方法列為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)備投放市場的第一年就銷售了30多臺，受到工廠、高校和科研單位等廣大用戶的好評，在取得科技成果的同時收到了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，成功實(shí)現(xiàn)了科研成果的市場轉(zhuǎn)化。

但這臺設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中還存在許多不足之處。受投影儀極限放大倍數(shù)的限制，儀器不能在測量長度的同時清晰地觀察纖維特征，從而把長度測量和配比觀察結(jié)合起來;另外，設(shè)備還受單片機(jī)運(yùn)算功能的限制，不能通過長度的測量同時完成纖維粗度、每毫克的根數(shù)、彎曲指數(shù)、雜細(xì)胞和細(xì)小細(xì)胞含量等指標(biāo)的測量。這些都是纖維分析中大家關(guān)心的檢測項(xiàng)目。

2000年我正式退休了，雖然不再需要到辦公室去上班，但出于對這一研究領(lǐng)域工作的熱愛和責(zé)任感，我對纖維的分析研究卻并未因退休而停止。為了繼續(xù)進(jìn)行纖維形態(tài)研究，也為了進(jìn)一步改進(jìn)和完善纖維分析儀，我自己購買了纖維分析工作所必需的設(shè)備和工具，在家里開辟了自己的實(shí)驗(yàn)室，繼續(xù)進(jìn)行科研工作。隨著電腦運(yùn)用的普及，尤其是圖像處理技術(shù)的不斷提高，在家人和朋友的大力支持下，XWY系列纖維測量儀也在不斷地進(jìn)行著改進(jìn)：用性能較好的顯微鏡和圖像采集系統(tǒng)替代了原來的投影儀，用電腦替換了原來的單片機(jī)，用鼠標(biāo)操作的圖像處理替換了光柵傳感器，用彩色激光打印機(jī)替換了微型打印機(jī)等，到目前為止，XWY系列纖維測量儀經(jīng)歷了從4型到8型的不斷升級，以及一系列新技術(shù)的引入和使用，使XWY系列纖維測量儀在測量技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了一次又一次革命性的飛躍，不僅運(yùn)算速度有了極大的提高，更是在測量項(xiàng)目上實(shí)現(xiàn)了功能的全面擴(kuò)展。在此期間，雖已年過八十，但為了更好地研發(fā)和推廣纖維測量儀器，在大家的幫助下，我創(chuàng)辦了北京倫華科技有限公司。現(xiàn)在市場上由北京倫華科技有限公司銷售的XWY-VIII造紙纖維分析儀，在測量項(xiàng)目上不僅實(shí)現(xiàn)了全覆蓋，還實(shí)現(xiàn)了自動或半自動測量，有些項(xiàng)目上甚至實(shí)現(xiàn)了全自動。在功能拓展上增加了紡織纖維的分析功能，在測量纖維的同時還能觀察紙頁的表面形態(tài)和結(jié)構(gòu)，如涂布加工方式等。這些功能在國際上也是領(lǐng)先的（圖3）。

改革開放的東風(fēng)推動著纖維形態(tài)研究工作進(jìn)入了更高級的微觀領(lǐng)域。在改革開放前，纖維形態(tài)研究工作更多關(guān)注的是植物種類及其生長習(xí)性，有什么樣的纖維形態(tài)特征，有什么樣的纖維長寬度和雜細(xì)胞含量等。至于原料的超微結(jié)構(gòu)，以及它們在制漿造紙工藝過程中會出現(xiàn)什么樣的變化，這些變化又會給成紙性能帶來什么樣的影響等，則很少考慮，也沒有條件考慮。改革開放之后，我們有條件到世界各地考察，了解在纖維形態(tài)工作中發(fā)達(dá)國家都做了些什么。通過各種國際交流，發(fā)現(xiàn)有些造紙發(fā)達(dá)國家的專家在微觀世界里做了很多有意義、且我們沒有做過的工作。

新的行業(yè)工作計(jì)劃要求纖維形態(tài)工作者開展一些與制漿、造紙機(jī)理有關(guān)的研究，進(jìn)口了帶能譜的掃描電子顯微鏡和大視野顯微鏡。分析手段的完善使我們在觀測纖維壁厚度的同時還能觀察到纖維壁上的微細(xì)纖維。通過觀察和研究發(fā)現(xiàn)，各種造紙纖維都是由初生壁和各層次生壁組成，次生壁上微細(xì)纖維的纏繞角度與打漿性能又有密切的關(guān)系，纏繞角越大在打漿過程中纖維越不容易出現(xiàn)裂狀的纖維分絲帚化，從而成紙強(qiáng)度越低。實(shí)驗(yàn)證明纏繞角度大的品種，盡管不斷延長打漿時間，但纖維卻很少出現(xiàn)縱裂狀的分絲帚化，如龍須草漿及稻草麥草漿等（圖4）。因此我們纖維形態(tài)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表文章提出：“由于紙漿纖維的微細(xì)纖維纏繞角度大，草漿的加工應(yīng)以疏解分散纖維為目的。草漿纖維本來就短，過度打漿會使纖維更短以及薄壁細(xì)胞破損等，都會降低草漿的使用性能。”這一技術(shù)路線的提出，為草漿合理利用提供了理論依據(jù)，具有重要的行業(yè)指導(dǎo)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

我們纖維形態(tài)團(tuán)隊(duì)還曾經(jīng)對提高卷煙紙透氣度的技術(shù)難題進(jìn)行科研攻關(guān)。為減少香煙中尼古丁對人體的危害，讓吸煙人在抽煙時吸入更多空氣來稀釋煙氣中的尼古丁濃度，煙草行業(yè)對卷煙紙?zhí)岢隽艘蟠筇岣呔頍熂埻笟舛鹊囊?。以前，為保證卷煙紙的無味和強(qiáng)度，常在制漿時使用部分麻纖維。但是，麻的微細(xì)纖維在纖維壁上的纏繞角度很小，幾乎與纖維軸平行，這種纖維打漿時很容易縱裂帚化，成紙纖維結(jié)合性能強(qiáng)，紙頁結(jié)構(gòu)緊密，透氣度低（圖5、圖6）。因此，我們纖維形態(tài)團(tuán)隊(duì)提出了應(yīng)該用纏繞角度大的桉木來代替。之后，研究院的李玉華同志把這些研究結(jié)果帶到卷煙紙廠，幫助紙廠調(diào)整纖維配比和打漿度等工藝指標(biāo)。通過技術(shù)路線的調(diào)整，成功完成了提高卷煙紙透氣度要求，滿足了煙草行業(yè)的需求;同時，還大大降低了紙漿成本，使卷煙紙廠的利潤大幅提高。這種科研成果直接為生產(chǎn)服務(wù)的工作方式，既為煙紙生產(chǎn)企業(yè)創(chuàng)造了直接的經(jīng)濟(jì)效益，更為煙草行業(yè)帶來了社會效益。

我國是個文明古國，源遠(yuǎn)流長的中華文明與燦爛的文化在紙張的承載下，不斷地傳承與發(fā)展。作為大量紙質(zhì)文物的載體——古紙的分析與鑒定工作成為保護(hù)文物、了解歷史的一部分。我作為一名纖維形態(tài)工作者，也有幸成為這方面的參與者與見證者。

在古紙的分析鑒定方面，先進(jìn)的微觀分析技術(shù)給古紙的纖維形態(tài)分析帶來非常好的手段與技術(shù)保障，也對某些重要的紙質(zhì)文物的斷代等歷史性研究起到了關(guān)鍵性的技術(shù)支撐。在電子顯微鏡下，可以清晰地看到所謂的“灞橋紙”的纖維沒有經(jīng)歷過打漿，它的微細(xì)纖維沒有任何分絲帚化現(xiàn)象。另外，“灞橋紙”的原料是大麻，大麻打漿與否非常容易辨認(rèn)。此外，在電子顯微鏡下能清楚地看到，“灞橋紙”纖維中的絕大部分木素，還原封不動地存留在纖維細(xì)胞壁上，說明沒有經(jīng)過蒸煮。一件沒有經(jīng)歷過任何蒸煮、打漿、抄紙?zhí)幚矶纬傻睦w維薄片，當(dāng)然不能叫紙！同樣，出土于甘肅省天水市的所謂的“放馬灘紙地圖”，通過現(xiàn)代纖維分析手段，我們也能準(zhǔn)確地推斷其重要組成及形成過程，為考古工作提供幫助。在現(xiàn)代纖維分析儀下能明顯地觀察到，事實(shí)上，所謂的“放馬灘紙地圖”并不是紙，而是幾片紡織品殘片（圖7）。對這些嚴(yán)肅的技術(shù)問題雖然在一些學(xué)者和專家中意見還沒有統(tǒng)一，但是相信廣大的考古工作者會以對歷史負(fù)責(zé)、對我們祖先負(fù)責(zé)的態(tài)度，實(shí)事求是地對待在蔡倫發(fā)明造紙術(shù)之前到底有沒有紙的問題。僅憑肉眼、放大鏡和個人的猜測做出的判斷是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?/p>

通過幾十年來的切身經(jīng)歷，我感受到了改革開放給科技工作所帶來的巨大動力，給我國纖維形態(tài)研究領(lǐng)域的研究手段與研究成果帶來的巨大變化，給造紙行業(yè)帶來的翻天覆地的巨變。我雖已年近九十高齡，但很幸運(yùn)的是，我現(xiàn)在仍然能夠在纖維形態(tài)領(lǐng)域持續(xù)耕耘。改革開放之初，國家確定了科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，這一偉大論斷為我們國家、為社會、為科研工作以及國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來了無比巨大的推動力，從我們纖維形態(tài)領(lǐng)域的科研工作所發(fā)生的巨大變化也可以充分體現(xiàn)出來。改革讓科技工作者有了動力，開放讓我們有機(jī)會去學(xué)習(xí)國外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，政策和資金的支持讓我們有了更多的檢測和分析手段。

感謝行業(yè)內(nèi)相關(guān)人士對我的厚愛，如今我系統(tǒng)的科研成果已匯集于2本專著及1項(xiàng)專利產(chǎn)品中，即《中國造紙?jiān)侠w維特性和顯微圖譜》《中國古代造紙工程技術(shù)史》及XWY-VIII型纖維分析儀?？蒲谐晒蛏a(chǎn)力的直接轉(zhuǎn)化，學(xué)術(shù)界的百家爭鳴等，也為纖維形態(tài)領(lǐng)域的研究營造了良好的氛圍。為滿足社會需求，中國輕工業(yè)出版社正在安排《中國造紙?jiān)侠w維特性和顯微圖譜》一書的再版，它將作為該出版社今年主要出版物之一，向新中國成立70周年獻(xiàn)禮。