羊毛纤维作为过滤材料的基材历史悠久，因为其具有热稳定性好、透气性高、阻力小、容尘量大和易于清灰等优点。20世纪初研究发现，羊毛纤维中蛋白质能够与甲醛反应，从而显示出较强的甲醛吸附能力。进一步研究表明，羊毛纤维还能够与SO2和香烟气体中的有害物质反应而将其去除。

4.4.6.1　羊毛纤维吸附甲醛原理

羊毛纤维是由十余种氨基酸组成的蛋白质纤维。羊毛纤维的结构主要包括鳞片层、皮质层和髓质层，在鳞片细胞和角质细胞之间的连接较为松散并存在许多曲折而贯通的空隙，这对于气体分子在羊毛纤维中的扩散和吸附作用具有重要作用。羊毛纤维对甲醛的吸附作用包括物理吸附和化学吸附。其中物理吸附主要是羊毛和甲醛分子通过氢键和范德华力等分子间的引力而相互结合。化学吸附是羊毛蛋白质分子中的赖氨酸、精氨酸、谷氨酸和天门冬氨酸等的氨基与甲醛发生反应生成多种含氮羟甲基化合物，也可以使蛋白质发生交联反应，相关反应如图4-44所示。环境湿度越大和温度越高，羊毛蛋白质分子与甲醛反应加剧，而且其中蛋白质的交联程度越高。

值得说明的是，当羊毛纤维受到摩擦时，会通过其表面毛羽向周围空气放电，加剧空气电离产生负离子。图4-45给出了空气中水分子产生负离子的基本反应过程。实验证明，对于直径较细的羊毛纤维，其表面毛羽较细，尖端电荷密度高，毛羽放电量大，能够产生高浓度的负离子。这对于羊毛纤维吸附甲醛和净化空气具有一定的促进作用。

图4-44　甲醛和蛋白质中氨基酸的反应

图4-45　空气中负离子的生成机理

结果显示，在环境温度为（22±1）℃，相对湿度为65%±2%，环境风速小于0.1m/s，噪声小于45dB和环境气压为1.013×105Pa且无空气污染的条件下。羊毛织物经摩擦后，产生负离子的发射量通常不低于5000个/m3（表4-10），这与城市郊区和田野中存在的负离子发射量几乎处于同一水平。但是当将其制成织物后负离子发射量则显著减低，这主要与羊毛纤维形成织物后其表面毛羽密度等方面的变化有关。另外，空气中的负离子对甲醛也具有一定的分解作用，相关过程描述如反应式（4-7）～式（4-9）。

·OH+HCHO→H2O+·CHO

（4-7）(www.daowen.com)

·OH+·CHO→HCOOH

（4-8）

2·OH+HCOOH→H2O+CO2

（4-9）

表4-10　羊毛滤料负离子的发射量

尽管羊毛纤维对空气中的甲醛具有一定的吸附和分解能力，还可通过摩擦效应产生负离子进一步对增加对甲醛净化作用。然而羊毛纤维的比表面积相对较小，吸附能力受到限制，这使得羊毛对甲醛的降解反应为一个缓慢的化学反应过程，同时羊毛纤维产生负离子的发生量也会受到羊毛纤维形成织物的限制。因此仅依靠羊毛纤维本身对甲醛的净化作用是不理想的，难以进行实际应用。

4.4.6.2　电气石/纳米TiO2负载羊毛过滤材料制备原理

使用纳米TiO2和电气石对羊毛纤维进行复合整理能够制备电气石/纳米TiO2负载羊毛过滤材料。三种材料的特性优势互补，并通过协同效应进一步强化过滤材料的净化作用。其中负载于羊毛纤维表面的纳米TiO2在紫外光辐射条件下产生高氧化性的羟基自由基和超氧离子，它们可快速分解吸附在羊毛纤维中的甲醛，进一步提高甲醛降解速率。另一方面，在光催化的过程中，羊毛纤维对甲醛的吸附作用会加速甲醛在纤维表面富集，弥补了光催化剂对低浓度污染物降解速率低的不足，促进负载于羊毛纤维表面的纳米TiO2对甲醛的光催化降解反应。也就是说，羊毛蛋白质吸附分解和纳米TiO2光催化降解反应的协同作用能够迅速分解空气中的甲醛。同时，负载于羊毛纤维表面的电气石能够利用环境气候变化，通过产生热点效应和压电效应使空气中的水分子发生瞬间放电，可连续生成羟基负离子，强化了羊毛纤维发生负离子的特性，使其具备了持续散发负离子的功能。并且这种作用随着电气石粒子粒径的减小而加强。羊毛纤维本身含有大量的亲水基团，能够吸附更多的水分在其表面，十分有利于电气石粒子与水分子作用产生负离子效应。另外，共同负载于羊毛纤维表面的纳米TiO2和电气石也会产生协同效应，促进滤料对甲醛的净化能力。这是因为纳米TiO2在电气石形成的电场作用下，使光生电子被转移到电气石颗粒的正极部分，减小光生空穴和电子的复合速率，使纳米TiO2光催化效率得以加强。