我國制漿造紙技術(shù)發(fā)展的知識圖譜構(gòu)建與分析

王欣輝 王 娜 張 恒，2，*

（1.青島科技大學(xué)海洋科學(xué)與生物工程學(xué)院，山東青島，266042；2.山東省生物化學(xué)工程重點實驗室，山東青島，266042）

科學(xué)知識圖譜是顯示科學(xué)知識發(fā)展進程與結(jié)構(gòu)關(guān)系的一種圖形[1-3]，是跟蹤科技前沿、選擇科研方向、開展知識管理與輔助科技決策的一種有效工具[4-6]。通過繪制科學(xué)知識圖譜，可以將知識和信息中令人矚目的最前沿領(lǐng)域或?qū)W科制高點，以可視化的圖像直觀地展現(xiàn)出來，幫助人們挖掘、分析和顯示科學(xué)知識及它們之間相互關(guān)系[7-8]。

制漿造紙工業(yè)作為重要的基礎(chǔ)原材料產(chǎn)業(yè)，在國民經(jīng)濟中占據(jù)重要地位，它關(guān)系到國家的經(jīng)濟、文化、生產(chǎn)、國防各個方面，其產(chǎn)品用于文化、教育、科技和國民經(jīng)濟的眾多領(lǐng)域。歷史的經(jīng)驗表明，紙張的生產(chǎn)和消費水平代表了一個國家的科技與經(jīng)濟發(fā)展水平，因此造紙工業(yè)被稱為“社會和經(jīng)濟晴雨表”[9]。對我國制漿造紙業(yè)發(fā)展進行分析，不僅可以給科研機構(gòu)提供行業(yè)發(fā)展的前沿信息，為科研機構(gòu)的研究方向提供參考，同時也為造紙企業(yè)的發(fā)展提供了指導(dǎo)性的建議，幫助其提高自身競爭力。

本課題以CNKI數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，應(yīng)用可視化軟件CiteSpace，對我國改革開放40年來的制漿造紙工業(yè)科技的發(fā)展繪制出關(guān)鍵詞共現(xiàn)知識圖譜，梳理該研究領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及研究熱點與前沿，從而得出我國制漿造紙業(yè)技術(shù)發(fā)展的研究動態(tài)及方向，為后續(xù)科學(xué)技術(shù)研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與轉(zhuǎn)換

在本課題中，選取分析的數(shù)據(jù)是《中國造紙》《中國造紙學(xué)報》《紙和造紙》《造紙科學(xué)與技術(shù)》《中華紙業(yè)》5本期刊在近40年（1982—2021年）內(nèi)，去除新聞、綜述、會議報道等對數(shù)據(jù)分析無效的文章后，得到共計18073篇文獻。這幾本期刊在制漿造紙學(xué)科研究領(lǐng)域底蘊深厚，具有較高的影響力，基于這些文獻數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和可視化呈現(xiàn)，可以反映出該學(xué)科真實的科研現(xiàn)狀[10]。

通過CNKI數(shù)據(jù)庫，得到文獻的題目、關(guān)鍵詞、摘要、作者、機構(gòu)及時間等參數(shù)后，用5.7.R5版本的CiteSpace軟件的Data-import/export功能將數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換得到輸入文件數(shù)據(jù)集，進行數(shù)據(jù)的共詞分析、突現(xiàn)分析和聚類分析。

2 制漿造紙領(lǐng)域知識圖譜的繪制及分析

采用繪制可視化知識圖譜的方法，在這18073篇文獻中進行數(shù)據(jù)挖掘和分析，以獲得我國制漿造紙工業(yè)的知識基礎(chǔ)、學(xué)科結(jié)構(gòu)和最新的研究前沿等相關(guān)信息；并以時間為軸，對學(xué)科的熱點和發(fā)展脈絡(luò)進行歸納總結(jié)，其中研究熱點與趨勢分析以10年為一個時段進行。

2.1 各時段研究熱點和突變詞分析

點的中心性是一個用以量化點在網(wǎng)絡(luò)中地位重要性的圖論概念。節(jié)點中介中心性的大小代表著這個節(jié)點與圖譜中其他節(jié)點的聯(lián)系密切程度，中心性高的點往往位于連接2個不同聚類的路徑上[11]。因此本課題由關(guān)鍵詞的中心性來反映各時段內(nèi)的研究熱點。

考慮到知識圖譜的客觀性和直觀性，選擇制作圖譜的閾值為11，得到節(jié)點數(shù)量為388，節(jié)點連線數(shù)量為753的1982—1991年我國制漿造紙領(lǐng)域研究熱點知識圖譜，如圖1所示。

圖1 1982—1991年我國制漿造紙領(lǐng)域研究熱點知識圖譜Fig.1 Knowledge map of research hotspots in China’s pulp and paper industry from 1982 to 1991

由圖1可知，1982—1991年間，木素含量、打漿度、印刷用紙、漂白漿、麥草漿、制漿造紙、硫酸鹽漿、化學(xué)漿、濕強度、壓光機等關(guān)鍵詞的詞頻和中心性較高，是當(dāng)時科學(xué)研究的主要方向。無論是蒸煮，還是紙漿漂白的過程，從本質(zhì)上講，都是去除纖維原料中木素的過程[12]。因此在我國制漿造紙業(yè)發(fā)展初期，紙漿的木素含量等相關(guān)內(nèi)容被重點關(guān)注，成為當(dāng)時的研究熱點。

CiteSpace軟件通過統(tǒng)計短時間內(nèi)增長速度突然加快或使用頻率突然提高的關(guān)鍵詞，來反映某一階段研究的側(cè)重點，代表了這一時間段內(nèi)相關(guān)研究主題的研究前沿，從CiteSpace圖中可以看到突變詞出現(xiàn)和結(jié)束的時間[13]。我國制漿造紙業(yè)在1982—1991年間的前20個突變詞如圖2所示，在此時間段的前幾年，我國制漿造紙領(lǐng)域的研究重心還在纖維原料上，而后幾年研究重心已經(jīng)轉(zhuǎn)移到了制漿造紙工藝、設(shè)備和產(chǎn)品上，這種轉(zhuǎn)變體現(xiàn)出我國造紙工業(yè)的快速進步。

圖2 1982—1991年我國制漿造紙領(lǐng)域研究突變詞Fig.2 Mutation words in the field of pulp and paper in China from 1982 to 1991

選擇制作圖譜的閾值為8，得到節(jié)點數(shù)量為493，節(jié)點連線數(shù)量為890的1992—2001年我國制漿造紙領(lǐng)域研究熱點知識圖譜，如圖3所示。出現(xiàn)頻次和中心性較高的關(guān)鍵詞有：打漿度、麥草漿、新聞紙、卡伯值、馬尾松、漂白漿、漂白等，與1982—1991年相比，打漿度和麥草漿依然是制漿造紙領(lǐng)域的研究熱點，但新聞紙、卡伯值、馬尾松等熱點關(guān)鍵詞則是第一次出現(xiàn)。這是由于打漿工段是制漿造紙工藝流程中的一個重要環(huán)節(jié)，改善打漿質(zhì)量對造紙工業(yè)的發(fā)展具有重要意義；而麥草是我國最早的制漿原料之一，也是在非木材纖維中產(chǎn)漿量最高的原料。因此這2個關(guān)鍵詞會受到持續(xù)關(guān)注。新聞紙第一次作為研究熱點出現(xiàn)，與新聞的時效性密不可分。新聞具有時效性，這為新聞紙帶來了巨大的消費量，同時也對生產(chǎn)新聞紙的紙漿質(zhì)量提出了更高的要求。因此國內(nèi)造紙廠自1992年起，開始引進國外的大型紙漿生產(chǎn)線，加之國家對造紙工業(yè)的政策，使我國新聞紙得到快速發(fā)展[14]?？ú?、漂白漿、漂白均與紙漿漂白有關(guān)，20世紀(jì)90年代以來，無元素氯（ECF）漂白發(fā)展迅速，全無氯（TCF）漂白也有較快的發(fā)展，ECF和TCF漂白已可以取代傳統(tǒng)的含氯漂劑漂白，新技術(shù)提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和競爭力，又大大減少了對環(huán)境的污染[15]。

圖3 1992—2001年我國制漿造紙領(lǐng)域研究熱點知識圖譜Fig.3 Knowledge map of research hotspots in China’s pulp and paper industry from 1992 to 2001

我國制漿造紙業(yè)在1992—2001年間的前20個突變詞如圖4所示。在1992—1996年間，化學(xué)機械漿、除渣器、漂白漿、纖維長度、木素含量等的突變詞表示當(dāng)時的研究前沿仍然處于對制漿造紙工藝的發(fā)展和改良上，與1982—1991年的結(jié)尾相呼應(yīng)。但在1997—2001年間，無氯漂白、氧脫木素、控制、中濃打漿、濾水性能、沸水、麥草漿黑液、廢紙回用等突變詞表示當(dāng)時的制漿造紙研究前沿已經(jīng)向廢水、廢紙回用和環(huán)境保護上發(fā)生轉(zhuǎn)變，這與當(dāng)時人們觀念的改變和國家的政策密切相關(guān)。

圖4 1992—2001年我國制漿造紙領(lǐng)域研究突變詞Fig.4 Mutation words in the field of pulp and paper in China from 1992 to 2001

選擇制作圖譜的閾值為12，得到節(jié)點數(shù)量為467，節(jié)點連線數(shù)量為1225的2002—2011年我國制漿造紙領(lǐng)域研究熱點知識圖譜，如圖5所示。由圖5可知，2002—2011年間，應(yīng)用、廢紙、白度、新聞紙、堿性過氧化氫機械漿（APMP）、脫墨、涂布紙、瓦楞原紙、陽離子淀粉、殼聚糖等關(guān)鍵詞的詞頻和中心性較高，是當(dāng)時科技研究的主要方向。廢紙利用、漂白、新聞紙延續(xù)了1992—2001年間的熱度，依舊是造紙領(lǐng)域研究的重心。在2002—2011年間，開始探索新原料、新助劑、新技術(shù)的應(yīng)用，因此“應(yīng)用”成為新的熱點關(guān)鍵詞。同時，造紙企業(yè)還著力于瓦楞原紙、涂布紙等新產(chǎn)品及APMP制漿工藝的開發(fā)，APMP制漿工藝具有得率高、紙漿強度好、污染少、能耗低等突出優(yōu)點，可廣泛用于生產(chǎn)印刷書寫紙、紙板、衛(wèi)生紙和新聞紙等，是新型的化機漿代表產(chǎn)品[16]。

圖5 2002—2011年我國制漿造紙領(lǐng)域研究熱點知識圖譜Fig.5 Knowledge map of research hotspots in China’s pulp and paper industry from 2002 to 2011

我國制漿造紙業(yè)在2002—2011年間的前20個突變詞如圖6所示。從圖6中紙機、留著率、膠黏物、脫色、三倍體毛白楊、馬尾松、蘆葦?shù)焦?jié)能、紙張性能、高得率漿、瓦楞原紙、碳纖維、半纖維素等突變詞的轉(zhuǎn)變，可以看出2002—2011年間的研究前沿由制漿造紙工藝和纖維原料的研究向環(huán)保節(jié)能、新產(chǎn)品、新工藝、新材料發(fā)展。

圖6 2002—2011年我國制漿造紙領(lǐng)域研究突變詞Fig.6 Mutation words in the field of pulp and paper in China from 2002 to 2011

選擇制作圖譜的閾值為12，得到節(jié)點數(shù)量為432，節(jié)點連線數(shù)量為719的2012—2021年我國制漿造紙領(lǐng)域研究熱點知識圖譜，如圖7所示。圖7中出現(xiàn)頻次和中心性較高的關(guān)鍵詞有：納米纖維素、應(yīng)用、表面施膠、改性、纖維素、pH值、紙張性能等，可以看出除了繼續(xù)對制漿造紙工藝和產(chǎn)品性能進行研究外，還對纖維素這種材料進行了深入開發(fā)應(yīng)用，以及對納米纖維素這種高性能的新型材料展開了研究。納米纖維素是一種由天然纖維素通過一系列物理或化學(xué)過程制成的輕質(zhì)、可降解、生物相容性好、可再生的天然材料，與普通纖維素相比具有純度高、結(jié)晶度高、透明度高、熱膨脹系數(shù)低、楊氏模量高、強度高的優(yōu)點[17-18]。

圖7 2012—2021年我國制漿造紙領(lǐng)域研究熱點知識圖譜Fig.7 Knowledge map of research hotspots in China’s pulp and paper industry from 2012 to 2021

圖8 為2012—2021年我國制漿造紙領(lǐng)域研究突變詞。由圖8可知，2012—2021年我國制漿造紙領(lǐng)域根據(jù)突變詞分布時間大致分2階段：第一階段是2012—2015年，各突變詞時間持續(xù)性較強，但熱度持續(xù)時間短。這一時間段主要熱詞有表面施膠劑、深度處理、細(xì)小纖維、麥草、預(yù)調(diào)理盤磨化學(xué)預(yù)處理堿性過氧化氫機械漿（P-RC APMP）、抗張強度等。這一階段的研究更注重于制漿造紙的工藝、原料、產(chǎn)品性能等方面的理論研究，也為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。第二階段是2016—2021年，與第一階段不同的是，這一階段的突變詞呈現(xiàn)出熱度持續(xù)時間長的特點。這一階段的主要熱詞有納米纖維素、節(jié)能降耗、數(shù)值模擬、手工紙、紙尿褲、新聞紙、木質(zhì)素、宣紙、復(fù)合材料、微晶纖維素、造紙機等，這些突變詞表明研究重心開始轉(zhuǎn)向新材料、新產(chǎn)品、節(jié)能的研究上。

圖8 2012—2021年我國制漿造紙領(lǐng)域研究突變詞Fig.8 Mutation words in the field of pulp and paper in China from 2012 to 2021

2.2 分時段關(guān)鍵詞聚類分析

通過CiteSpace的聚類功能，對1982—2001年間我國制漿造紙領(lǐng)域的高頻關(guān)鍵詞進行聚類，按標(biāo)簽內(nèi)含關(guān)鍵詞頻次排序，形成了標(biāo)簽#0木素含量、#1漂白、#2壓光機、#3打漿度、#4結(jié)構(gòu)、#5廢紙漿、#6中性施膠、#7打漿、#8新聞紙、#9黑液濃度，如圖9所示。表1則是1982—2001年我國制漿造紙關(guān)鍵詞聚類分析排名前10的標(biāo)簽具體包含的關(guān)鍵詞類別。從圖9和表1可以看出，與打漿、漂白、造紙機等相關(guān)的關(guān)鍵詞頻次最高，因此可以得出在1982—2021年間我國造紙業(yè)的研究重心主要集中在基礎(chǔ)制漿造紙工藝和制漿造紙設(shè)備的開發(fā)上。

表1 1982—2001年我國制漿造紙關(guān)鍵詞聚類統(tǒng)計Table 1 Clustering statistics of key words in China’s pulp and paper industry from 1982 to 2001

圖9 1982—2001年我國制漿造紙關(guān)鍵詞聚類圖譜Fig.9 Key words clustering map of China’s pulp and paper industry from 1982 to 2001

圖10 為1982—2001年我國制漿造紙關(guān)鍵詞聚類時間線圖譜。從圖10可以看出，在1982—1983年間，我國制漿造紙業(yè)尚屬于起步階段，由圖10中“甘蔗渣、馬尾松、麥草漿、壓榨部、硫酸鹽法制漿、壓榨部、紙機車速、壓光機”等關(guān)鍵詞可以看出，造紙原料選擇、工藝開發(fā)和設(shè)備改良與調(diào)試問題是研究的重點。1983—1986年，市場對紙張光澤度和白度提出了要求，因此出現(xiàn)了大量與壓光機和漂白相關(guān)的關(guān)鍵詞；同時，隨著木材資源的不斷減少和環(huán)境污染問題的加劇，廢紙的回用和造紙黑液的研究開始增多。由圖10中關(guān)鍵詞可以看出，1986—1992年間，造紙原料纖維類型、新漂白工藝、造紙設(shè)備、紙張性能、新型造紙助劑等領(lǐng)域有了新的研究進展，這與造紙市場的擴大，工藝技術(shù)的相應(yīng)提升有著重要的聯(lián)系。1992—1995年，漂白技術(shù)有了新進展，出現(xiàn)了少氯漂白和全無氯（TCF）漂白工藝；“清潔生產(chǎn)、廢水處理”關(guān)鍵詞所反映的環(huán)境保護問題依然存在；辦公用紙、高檔衛(wèi)生用紙、無碳復(fù)寫紙等的研發(fā)逐漸打破我國中高端紙產(chǎn)品依賴進口的局面。1998—2001年，為了更好地節(jié)約能源和減少環(huán)境污染，生物技術(shù)在造紙行業(yè)的應(yīng)用逐漸增多；廢紙回用中的脫墨技術(shù)也成為研究的重點。另外，木素含量、打漿、黑液濃度這些聚類標(biāo)簽分別在1998年、2000年左右、1993年左右消失，說明這些領(lǐng)域在制漿造紙行業(yè)發(fā)展到上述年份時認(rèn)知和技術(shù)已經(jīng)十分成熟，在當(dāng)時已經(jīng)基本不再需要進一步深入地研究。而對其他聚類標(biāo)簽所代表領(lǐng)域的研究則延伸到了下一個20年。

圖10 1982—2001年我國制漿造紙關(guān)鍵詞聚類時間線圖譜Fig.10 Key words clustering time line Atlas of China’s pulp and paper industry from 1982 to 2001

通過CiteSpace的聚類功能，對2002—2021年間我國制漿造紙領(lǐng)域的高頻關(guān)鍵詞進行聚類，按標(biāo)簽內(nèi)含關(guān)鍵詞頻次排序，如圖11所示，形成了標(biāo)簽#0表面施膠、#1漂白、#2應(yīng)用、#3性能、#4造紙廢水、#5脫墨、#6白度、#7紙張性能、#8纖維形態(tài)、#9氣凝膠。表2則是2002—2021年我國制漿造紙關(guān)鍵詞聚類分析排名前10的標(biāo)簽具體包含的關(guān)鍵詞類別。從圖11和表2可以看出，與1982—2001年相比，漂白工藝仍然是研究的重點，但漂白標(biāo)簽所包含的關(guān)鍵詞與20年前相比已經(jīng)產(chǎn)生了巨大的變化，說明新的漂白工藝和白度標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)推廣開來。除此之外，由應(yīng)用、性能、纖維形態(tài)、氣凝膠等標(biāo)簽可以看出，近20年我國制漿造紙行業(yè)對新設(shè)備、新材料的應(yīng)用，和對紙張性能、纖維材料本身及環(huán)境保護的研究越來越多。

表2 2002—2021年我國制漿造紙關(guān)鍵詞聚類統(tǒng)計Table 2 Clustering statistics of key words in China’s pulp and paper industry from 2002 to 2021

圖11 2002—2021年我國制漿造紙關(guān)鍵詞聚類圖譜Fig.11 Key words clustering map of China’s pulp and paper industry from 2002 to 2021

圖12為2002—2021年我國制漿造紙關(guān)鍵詞聚類時間線圖譜。由圖12可知，在2002—2004年間，卷煙紙、涂布紙、涂布白紙板等成為產(chǎn)品開發(fā)的重心，特別是涂布紙和涂布白紙板在我國進口紙和紙板占有巨大份額，產(chǎn)品的革新將改變我國中高端紙依賴進口的局面；絮凝劑、助留助濾劑的使用可以大幅減少細(xì)小纖維和填料的流失，提高漿料脫水性能，提高紙張的質(zhì)量。2004—2010年，由“竹子、稻草、APMP、化機漿、強度、光學(xué)性能、細(xì)菌纖維素、碳纖維”等關(guān)鍵詞可以看出，在此時間段內(nèi)竹子和稻草等非木材原料的使用、機械漿的發(fā)展、對紙張性能的改良、新型材料的開發(fā)等方向成為當(dāng)時研究的熱點，這與我國原料資源結(jié)構(gòu)調(diào)整、市場需求的變化等有關(guān)。由圖12中關(guān)鍵詞可以看出，在2010—2016年間，納米纖維素和微晶纖維素等新材料、衛(wèi)生紙機等新的造紙設(shè)備、銅版紙和抗菌紙等高檔紙研究領(lǐng)域有了新的進展，并且更加注重環(huán)境友好型的清潔生產(chǎn)模式。2016年至今，石墨烯、多壁碳納米管、纖維素納米晶體和纖維素納米纖絲等功能納米材料成為近幾年的研究熱點；而隨著信息技術(shù)和人工智能的發(fā)展，成本分析、參數(shù)優(yōu)化等數(shù)據(jù)分析在制漿造紙領(lǐng)域被廣泛采用。#3性能、#4造紙廢水、#5脫墨、#6白度、#7紙張性能標(biāo)簽在近幾年已經(jīng)消失，說明其所相關(guān)的領(lǐng)域都步入了十分成熟的階段。

圖12 2002—2021年我國制漿造紙關(guān)鍵詞聚類時間線圖譜Fig.12 Key words clustering time line Atlas of China’s paper industry from 2002 to 2021

3 結(jié) 語

本課題以CNKI數(shù)據(jù)庫中1982—2021年間《中國造紙》《中國造紙學(xué)報》《紙和造紙》《造紙科學(xué)與技術(shù)》《中華紙業(yè)》5本期刊的有效文獻作為數(shù)據(jù)樣本，構(gòu)建制漿造紙學(xué)科領(lǐng)域知識圖譜，客觀呈現(xiàn)隨時間演變的學(xué)科基礎(chǔ)及研究熱點與前沿，為未來我國制漿造紙科學(xué)技術(shù)研究提供了借鑒。

我國現(xiàn)代制漿造紙業(yè)雖起步較晚，但發(fā)展迅速。自1982年起，無論是制漿造紙工藝、造紙設(shè)備的引進革新還是產(chǎn)品的開發(fā)較之前相比都產(chǎn)生了巨大的變化，達到了較為成熟的階段。隨著人們環(huán)境意識的加強和相關(guān)政策的發(fā)布，環(huán)境保護成為重中之重，清潔生產(chǎn)也就成為制漿造紙工業(yè)發(fā)展的必然要求。近年來，我國制漿造紙工藝已經(jīng)達到成熟飽和的階段，在傳統(tǒng)的制漿造紙研究領(lǐng)域難求技術(shù)上的突破與創(chuàng)新，因此對納米纖維素等新型材料的研究逐漸展開。隨著信息技術(shù)與人工智能的發(fā)展，基于互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)分析已被廣泛應(yīng)用于制漿造紙業(yè)，纖維材料與傳感技術(shù)等的結(jié)合也為纖維素的高值化利用提供了更大的平臺。

本課題從文獻計量學(xué)宏觀角度對我國造紙業(yè)進行了分析，一定程度上避免了傳統(tǒng)文獻分析依賴個人經(jīng)驗和主觀偏好的弊端，但本研究在選擇研究樣本時選取了核心期刊標(biāo)準(zhǔn)的文獻，數(shù)據(jù)結(jié)果無法做到面面俱到，闡釋時存在一定的誤差。