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1 5 办公室（第1页）

1。5办公室

●　纸张和废纸：纸张中的化学

经过一小段路程，伴随着对蓝天、冰、盐、汽油和安全气囊沉浸式的思考，你来到了办公室。虽然每天早上都能看到办公桌上乱七八糟的样子，但你仍然会惊叹于有这么多废纸。在没有电脑之前，情况更加糟糕。信息技术的出现大大减少了纸质文件的流通和数量，但纸这种材料仍然作为传递信息的媒介发挥着重要作用。

在古代，最早用于绘画和书写的材料是石头和泥板。自公元前3000年以来，埃及人就使用莎草纸作为书写材料，这种材料由同名的沼泽植物纸莎草（Cyperuspapyrus）的茎制成。希腊人和罗马人也使用莎草纸。从公元3世纪起，羊皮纸的使用开始普及。羊皮纸由羔羊皮、绵羊皮或山羊皮经石灰浸渍后干燥打磨而成。真正意义上的纸张是由中国人发明的，并于12世纪开始大规模传播。

一般来说，纸是由各种纤维混合压缩（毡合）而得。中国人最开始以蚕茧为原料，后来改进为用桑科植物（例如构树，Broussoiapapyrifera）和其他植物的皮。已知最早的纸张样本可以追溯到公元150年，是用破布制成的。从8世纪开始，纸张的使用首先在日本和小亚细亚传播，然后在地中海非洲、西班牙和后来的整个欧洲传播。

阿拉伯人将纸张引入欧洲，在西班牙和意大利的西西里岛建立了最早的造纸厂。12世纪，波利瑟·达·法布里亚诺（PolesedaFabriano）在博洛尼亚（Bologna）附近的雷诺（Reno）河边建立了一家造纸厂。1455年发明的活字印刷术[3]推动了随后几个世纪的纸张生产。1798年法国发明家尼古拉斯·路易斯·罗伯特（NicolasLouisRobert）发明了第一台造纸机，然后在1803年由英国的出版商兄弟乔治·福德里尼埃（GeeFourdrinier）和西利·福德里尼埃

（SealyFourdrinier）进行了完善。在当时，纸张用破布来制备，但很快由于产量的增加导致了原材料的匮乏，于是他们尝试寻找新的原材料。1840年左右，人们开始使用木头造纸。时至今日，大部分纸张也仍是由木头制成。

木材是一种含有多种物质的复合材料。其中主要有纤维素

（cellulose，约45%）、半纤维素（hemicellulose，约30%）、木质素（lignin，约20%）及其他挥发性较强的成分（约5%），如萜烯、树脂、脂肪酸。我们在第一章第3节中已经提到，纤维素是一种多糖，由葡萄糖分子通过β-1，4糖苷键（β-1，4glycosidid）连接组成，然后这些葡萄糖分子聚合链通过氢键相互平行地结合在一起（图15）。

图15　纤维素分子链结构

半纤维素也是一种多糖，但结构比较不规则。纤维素只由葡萄糖分子构成，但半纤维素的构成中还含有其他单糖。另外，它是支链结构而非纤维结构。木质素是一种主要由酚类单体组成的复杂聚合物。其中的单体主要有对香豆醇（p-arylalcohol）、松柏醇（iferyalcohol，4-羟基-3-甲氧基肉桂醇，4-hydroxy-3methoxyamylalcohol）和芥子醇（sinapylalcohol，4-羟基-3，5二甲氧基肉桂醇，4-hydroxy-3-dimethoxyamylalcohol）。

为了制备纸张，必须去除木头成分中的木质素。这可以用机械方法和化学方法来实现。

在机械方法的处理（磨解）中，通过将去皮后的木材（杨木或杉木）紧压在磨木机的旋转磨石上粉碎来磨解木材纤维。处理后就得到了一种类似于锯屑的糊状物（称为机械浆），然后经过精制以使纤维更细小，随后进行漂白。所谓的化学浆（或称为纤维木浆），就是将削成片的木材与适当的试剂（如氢氧化钠和硫化钠）放于高压釜内，在高温下经过蒸煮制得。在此过程中，木质素和其他物质被去除，得到了几乎纯净的纤维素。由这种纸浆制成的纸非常结实，这也是制牛皮纸（Kraft，在德语中是“结实”的意思）的工艺。但是这种工艺过程中使用的硫化钠会产生带有臭鸡蛋味的有毒物质硫化氢，进而带来环境问题。另外，此过程只有50%的木材被转化为纸浆，所以纸张产量很低，还会产生大量的废水。但是，我们也在尝试利用这些废料产生能量以用于工艺生产过程本身。

所谓的半化学浆是由阔叶木（山毛榉和杨树）的木片经过类似于化学浆的工艺生产出来的。但半化学制浆是不完全的蒸煮，也就意味着有一定量的木质素残留。半化学浆的质量不如化学浆，通常用于制造新闻纸、印刷纸、瓦楞纸板等其他产品。最后，还有所谓的“高得率浆”，制作这种木浆无须分离木质素，只需要通过化学处理（有时还需要高温蒸煮）将其软化即可。

木浆制得后就要进行漂白（beag）。过去使用的漂白剂的成分为次氯酸钠（NaClO）或二氧化氯（ClO2）。现在为了避免水污染则使用过氧化氢（H2O2）作为漂白剂，并将废水回收处理。

漂白后的木浆要进行打浆。用滤网处理悬浮在水中的纸浆纤维，水从孔隙中漏出去后纤维则沉淀在滤网表面。在造纸厂中，一系列的辊棒带动滤网循环运转，从而使整个过程得以连续。纸浆纤维层经干燥、压制后，卷成卷或切割后叠在一起。放置水和纸浆纤维混合液的容器叫打浆机（pulper）。根据要制备的纸张类型，还可以添加适量的废纸在里面，但这些废纸事先是经过净化的，或者还有可能通过蒸汽工艺脱过墨。

这样得到的原纸表面吸水性很强，不适合书写或印刷。因此必须使用各种添加剂进行特殊的表面处理。这些添加剂涂在原纸表面，形成所谓的涂布纸（patina）。所用的各种添加剂可以包括淀粉、聚合物[如聚乙酸乙烯酯（polyvie）]或其他物质（如高岭土）。杂志纸就是这样处理制成的，印刷后的纸张涂上一层透明的胶料，就能获得有光泽的外表（就像封面一样）。涂布后，纸张必须进一步干燥，并且根据用途还可以进行其他特殊处理。

纸张一般根据克重来分类，克重是指每平方米纸的重量。克重值可以从10克平方米（厚度为0。03毫米的纸张）到150克平方米（厚度为0。3毫米的纸张）不等。对于厚度为2毫米的纸张，克重值可以达到1200克平方米。普通复印纸一般为80克平方米。

●　桌上的照片：摄影中的化学

当你还在感叹着办公桌上大量杂乱的纸张及思考着它们是什么来源的时候，你的目光停留在儿子还在蹒跚学步时的照片上。

因为是几年前的照片了，所以它是一张传统照片而非数码照片。除了回想起孩子的童年，你还想起了以前自己冲洗黑白照片的时候。摄影也有一段传奇的历史[38]值得我们简单回顾一下，以此来向大家说明一个简单的图像背后有多少化学反应。

任何相机，无论是传统相机还是数码相机，发挥功能的基础都是相机暗箱。这种光学仪器由一个带小孔（称为针孔）的密封箱构成，会在小孔对面的内壁上产生孔外部的倒立图像（我们的眼睛也以类似的方式工作，在我们的视网膜上产生我们看到的画面的倒立图像）。相机暗箱的发明比较早，可以追溯到11世纪。在小孔上装上透镜可以大大提高所获得的图像质量。从达·芬奇（LeonardodaVinci，1452—1519）开始，许多艺术家通过在纸上描摹图像来准确地体现真实感。而困扰很多学者的问题就是如何把从暗箱中得到的图像固定下来而不用重新进行描摹，这直到19世纪才开始取得可喜的成果。

1725年，德国科学家约翰·海因里希·舒尔茨（JohannHeinrichSchulze，1687—1744）将石膏、银和硝酸混合，得到了一种在光照下会变黑的物质，他称它为“黑暗的携带者”（scotophorus）。

英国科学家托马斯·韦奇伍德（ThomasWedgwood，1771—1805）与同是英国人的化学家汉弗莱·戴维爵士（SirHumphryDavy，1778—1829）合作，成功地用银盐将图像固定在皮革或玻璃上，这就是所谓的“光照图像”。

从1816年开始，法国人约瑟夫·尼塞尔·尼普斯（JosephNiipce，1765—1833）和他的哥哥克洛德（Claude）一起把注意力集中在氯化银的性质上。实际上，这种盐对光很敏感，会因为金属银的释放而变黑。他将这种化合物在纸张和其他物品上做了多次尝试。尼普斯还研究了犹太沥青的性质。1826年，尼普斯将这种物质涂抹在一块锡板上并曝光约8小时，成功地获得了一张图像，这张图像展示了他在勒格拉斯（LeGras）[位于圣卢普德·瓦伦内斯（Saint-Loup-de-Varennes）附近]的工作室的窗外的屋顶景色，这是目前已知的最古老的照片，保存在得克萨斯大学奥斯汀分校（UyofTexasatAustin）的哈里兰森（HarryRansom）中心。尼普斯称他所获得的图像为日光图（Heliograph）。大约在同一时间，法国艺术家和化学家路易斯·雅克·曼德·达盖尔（Louis-JadDaguerre，1787—1851）也开始尝试固定暗箱的图像，并与尼普斯开始了书信往来。1829年，尼普斯和达盖尔共同成立了一家公司，专门从事新摄影技术的开发。1837年，在尼普斯去世后，达盖尔成功地开发了一种新技术，这种技术后来被称为达盖尔摄影法或银板摄影法（daguerreotype）。该技术是将镀银的铜板暴露在碘蒸气中，在表面形成一层碘化银（光敏材料），经过长时间的曝光后，再用水银蒸气对板子进行处理，使之前暴露在光线下的区域变白，最后用硫代硫酸钠（SodiumThiosulfate）溶液处理，消除碘化银的残留使图像稳定。但要观察所产生的图像，必须从一个可以适当反射光线的角度观察。此外，这些铜板比较脆弱不牢固，所以必须放在玻璃板下存放。在达盖尔之前的几年，英国人威廉·福克斯·亨利·塔尔博特（WilliamFoxHenryTalbot，1801—1877）曾取得了有趣的成果。他先用氯化钠，再用硝酸银处理一张纸，得到的纸张表面有一层氯化银，使纸张变得对光敏感。将某些物体（如布料花边或羽毛）放在纸上，再放在光线下照射，这样就可以固定物体的影子。塔尔博特称这些图像为“影子摄影”（sciadografia，来自英文阴影“shadow”）。但是，塔尔博特无法解决一个问题，那就是这些图像无法永久固定住，显像时间很短，一段时间后就会消失。这个问题的解决要归功于德国人威廉·赫歇尔（WilliamHerschel，1738—1822），他选择用硫代硫酸钠处理图像，并引入了“定影”（fixation）一词，这个词至今仍在使用，表示对摄影图像进行稳定处理。同样也是赫歇尔引入了“照片”（photography）一词来表示用光获得的图像。正如我们前面所看到的，这种图像在以前有各种不同的叫法。

达盖尔希望将其发明用于商业用途，但同时他不想透露银板摄影法的技术方法。于是他想到了求助于法国政府，政府必须购买版权并让大家都能使用这项发明。他找到了物理学家弗朗索瓦·阿拉果（Franc?o，1786—1853），他既是著名的科学家，也是君主制政府议会中的左翼反对派代表。1839年，阿拉果将达盖尔的发明交给了法国科学院，并意外引起了当时的内政部部长坦内盖·杜沙泰尔（TanneguyDuchatel）的兴趣。部长之所以感兴趣，是因为想到能够将达盖尔的发明用于司法领域，记录罪犯的信息。因此，这项发明被法国政府购买，达盖尔获得了金钱和荣誉，尼普斯的儿子也获得了终身年金。

从19世纪下半叶开始，摄影技术发展迅速。1851年，英国人弗雷德里克·斯科特·阿彻尔（FrederickScottArcher，1813—1857）提出了一种用湿润的火棉胶（在乙醇中加入硝化棉）进行摄影的方法（火棉胶摄影法）。这种方法可以获得比银板摄影法更清晰的图像，最重要的是用底片可以大量印制出相同的照片。

1859年，德国化学家和物理学家罗伯特·本生（RobertBunsen，1811—1899）和英国化学家亨利·恩菲尔德·罗斯科（HenryEnfieldRoscoe，1833—1915）引入了镁闪光灯，可在极短的曝光时间内拍摄照片（镁闪光是一种化学反应：镁粉和空气中的氧气发生反应而产生出非常强烈的光线）。