本發明屬于仿生結構紡織品制備領域，涉及一種靜電紡絲設備及其制備超支化中空結構羽絨的方法。
背景技術：
天然羽絨主要是由鴨、鵝等禽類胸部的柔軟羽毛構成。按顏色可分為灰鵝絨、白鵝絨、灰鴨絨、白鴨絨等。羽絨具有支化結構（星朵狀結構），即從絨核中衍生出來多根絨枝，沿著絨枝分叉出許多更小更細的二級絨枝、甚至三級絨枝，絨枝表面有溝槽或節點[高晶，于偉東，潘寧，紡織學報，2007，28（1），1-4]。絨枝很細且極易彎曲。由于羽絨結構上的特征，使得當它承受壓力時，這些絨枝難以相擠入，最后以細微的抵抗力被壓縮，但在壓力解除后很快恢復，羽絨具有優異的蓬松性。
另一方面，在每一朵絨朵中，都包含著幾十根結構相同的絨枝，每根絨枝之間存在著一定斥力，使每根絨枝之間的間距保持最大，理論上能存在更多空氣。每一根絨枝中，都長有許多二階絨枝，當眾多羽絨混在一起時，二階絨枝相互交纏、重疊，形成阻止空氣自由流動的多重屏障，加大空氣的對流難度。同時羽絨的每一條絨枝均是中空的，里面充滿空氣，而空氣是最好的保溫材料。故而在天然材料中擁有最佳的保溫效果。
雖然羽絨具有明顯的優點，但作為禽類產業的副產品，由于受生長周期及食用價值的影響，理想絨朵性能并不能得到保證，同時羽絨中的菌類含量、揚塵及禽流感等問題也困擾著羽絨相關產業的發展。
人造羽絨成為羽絨產業發展的方向，但現行的人造羽絨多采用高山牦牛絨、超細羊毛等天然纖維和PVA等化學纖維或織物，通過植絨等方法加工獲得[周彬，王慧玲，劉華，樊理山，瞿才新，張圣忠，一種人造羽絨生產設備，ZL 201510988301.4]，無論是手感、回彈性、保暖性，還是舒適度，都遜于天然羽絨。
另一方面靜電紡絲作為一種新型的非織造制備織物的方法，能夠獲得不同尺度直徑、結構的纖維。其中分支狀結構纖維是在射流的裂分時形成的，由于裂分造成電荷分布不均，導致細流進一步分裂成更細的多股，逐級分裂形成多級支化結構[李山山，何素文，胡祖明，于俊榮，陳蕾，諸靜，合成纖維工業，2009，32（4），44-46]，即形成超支化結構。需要設計控制超支化結構的長度，從而指導制備人造羽絨。
技術實現要素：
本發明為解決現有羽絨生產周期長、產量不穩定、后處理復雜的難題，同時解決現有人造羽絨結構相似度差、性能低下的技術問題，提供了一種靜電紡絲設備及其制備超支化中空結構羽絨的方法。
為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案：
一種靜電紡絲設備，包括外殼、垂直接收板、上接收板、下接收板、切斷刀、同軸針頭、與同軸針頭內軸相連通的芯層注射器和與同軸針頭外軸相連通的皮層注射器，以及給芯層注射器和皮層注射器提供外力的微量注射泵，切斷刀平行于垂直接收板設于同軸針頭處，切斷刀的一端固定在外殼上，整個靜電紡絲設備的方波高壓由連有周期性開關的高壓發生器提供，所述周期性開關包括同時與垂直接收板與下接收板連接的開關Ⅱ，和與上接收板相連接的開關Ⅰ。
所述垂直接收板、上接收板、下接收板、切斷刀和同軸針頭均固定在外殼上，垂直接收板、上接收板和下接收板組成匚型，同軸針頭位于匚型中部。
所述垂直接收板、上接收板和下接收板為金屬板或覆有錫箔層的金屬板。
一種靜電紡絲設備制備超支化中空結構羽絨的方法，制備步驟如下：
（1）將高分子化合物溶于揮發性溶劑中形成均相溶液，加入皮層注射器中，芯層物質通入芯層注射器中，然后將帶有同軸針頭的注射器固定于微量注射泵；
（2）將靜電紡絲設備同軸針頭的軸向方向平行于水平面放置，垂直接收板、上接收板和下接收板調整至垂直于同軸針頭尖端與該接收板中心的連線，并保證垂直接收板垂直于同軸針頭的軸向方向，上、下接受板平行于同軸針頭的軸向方向，并分別平行于水平面，將開關Ⅱ接通垂直接收板，開關Ⅰ與上接收板斷開，為垂直接收板通以呈周期性變化的方波電壓；
（3）調節靜電紡絲設備工作的環境溫度和濕度，打開微量注射泵使溶液從同軸針頭噴出，以針頭處方波電壓的周期為周期，切斷刀從最高處開始向下運動，在1/2周期時，切斷刀到達針頭處，切斷纖維，此時開關Ⅱ斷開垂直接收板、接通下接收板，開關Ⅰ接通上接收板；再過1/2周期，開關Ⅱ接通垂直接收板，開關Ⅰ與上接收板斷開，切斷刀到達最低處，并準備向上運動，如此循環往復，獲得不同絨枝直徑和長度的中空結構羽絨。
所述步驟（1）中，高分子化合物為聚乳酸或聚乙烯醇，揮發性溶劑為三氯甲烷、二氯甲烷、四氫呋喃中的一種或多種，高分子化合物的含量為3-30wt%，芯層為空氣、氮氣、三氯甲烷中的一種或多種。
所述步驟（2）中，垂直接收板的方波電壓的周期為0.3s-2s，高電壓值為10-40kV，不接地時作為低壓；垂直接收板中心與同軸針頭尖端連線垂直于接收面，垂直接收板距離同軸針頭尖端為10-30cm，上接收板板距離針頭尖端為10-30cm，下接收板距離同軸針頭尖端為6-50cm，垂直接收板和下接收板連有接地開關，上接收板與同軸針頭電壓相同，相位差為方波電壓的半周期。
所述步驟（3）中，靜電紡絲設備工作的環境溫度為10-40℃、相對濕度為20-50%；皮層注射器注射速度為0.1-3mL/h，芯層注射器注射速度為0.2-5mL/h，同軸針頭的直徑為0.2-0.6mm，內軸直徑為0.3-0.8mm，外軸直徑為0.5-1.3mm。
溶液細流從同軸針頭出來后，單根細絲帶有正電荷，隨著溶劑的揮發，電荷密度增大，能量升高，出現爆炸形成球狀絲束；同時隨著上下接收板電壓差的產生，細流由向垂直接受板的運動突然轉向90°變為向下接收板的運動，單絲進一步分裂，從而形成超支化羽絨結構。
方波高壓由連有周期性開關的高壓發生器（高壓電源）提供，也就是方波高電壓為高壓發生器電壓，與高壓電源斷開狀態定義為低壓狀態。
本發明的有益效果在于：
1. 本發明制備羽絨的靜電紡絲設備結構簡單，設計合理；采用通用高分子，價格低，無后繼處理，制備路線簡單；
2. 本發明制備的超支化中空結構羽絨無毒、無味，綠色環保，無需后處理，絨枝長度可控，蓬松性、保暖性可調；結構蓬松，回彈性好；
3. 本發明制備的羽絨為中空結構，進一步提高了保暖性；超支化及中空雙重仿生結構，在最大程度上保持了羽絨的蓬松性和保暖性。
附圖說明
圖1為靜電紡絲設備的結構示意圖，其中，1-垂直接收板，2-上接收板，3-下接收板，4-切斷刀，5-同軸針頭，6-芯層注射器，7-皮層注射器，8-微量注射泵，9-開關Ⅰ，10-開關Ⅱ。
具體實施方式
一種靜電紡絲設備，包括外殼、垂直接收板、上接收板、下接收板、切斷刀、同軸針頭、與同軸針頭內軸相連通的芯層注射器和與同軸針頭外軸相連通的皮層注射器，以及給芯層注射器和皮層注射器提供外力的微量注射泵，切斷刀平行于垂直接收板設于同軸針頭處，切斷刀的一端固定在外殼上，整個靜電紡絲設備的方波高壓由連有周期性開關的高壓發生器提供。
所述垂直接收板、上接收板、下接收板、切斷刀和同軸針頭均固定在外殼上，垂直接收板、上接收板和下接收板組成匚型，同軸針頭位于匚型中部。
所述垂直接收板、上接收板和下接收板為金屬板或覆有錫箔層的金屬板。
一種靜電紡絲設備制備超支化中空結構羽絨的方法，制備步驟如下：
（1）將高分子化合物溶于揮發性溶劑中形成均相溶液，加入皮層注射器中，芯層物質通入芯層注射器中，然后將帶有同軸針頭的注射器固定于微量注射泵；
（2）將靜電紡絲設備同軸針頭的軸向方向平行于水平面放置，垂直接收板、上接收板和下接收板調整至垂直于同軸針頭尖端與該接收板中心的連線，并保證垂直接收板垂直于同軸針頭的軸向方向，上、下接受板平行于同軸針頭的軸向方向，并分別平行于水平面，將開關Ⅱ接通垂直接收板，開關Ⅰ與上接收板斷開，為垂直接收板通以呈周期性變化的方波電壓；
（3）調節靜電紡絲設備工作的環境溫度和濕度，打開微量注射泵使溶液從同軸針頭噴出，以針頭處方波電壓的周期為周期，切斷刀從最高處開始向下運動，在1/2周期時，切斷刀到達針頭處，切斷纖維，此時開關Ⅱ斷開垂直接收板、接通下接收板，開關Ⅰ接通上接收板；再過1/2周期，開關Ⅱ接通垂直接收板，開關Ⅰ與上接收板斷開，切斷刀到達最低處，并準備向上運動，如此循環往復，獲得不同絨枝直徑和長度的中空結構羽絨。
所述步驟（1）中，高分子化合物為聚乳酸或聚乙烯醇，揮發性溶劑為三氯甲烷、二氯甲烷、四氫呋喃中的一種或多種，高分子化合物的含量為3-30wt%，芯層為空氣、氮氣、三氯甲烷中的一種或多種。
所述步驟（2）中，垂直接收板的方波電壓的周期為0.3s-2s，高電壓值為10-40kV，不接地時作為低壓；垂直接收板中心與同軸針頭尖端連線垂直于接收面，垂直接收板距離同軸針頭尖端為10-30cm，上接收板板距離針頭尖端為10-30cm，下接收板距離同軸針頭尖端為6-50cm，垂直接收板和下接收板連有接地開關，上接收板與同軸針頭電壓相同，相位差為方波電壓的半周期。
所述步驟（3）中，靜電紡絲設備工作的環境溫度為10-40℃、相對濕度為20-50%；皮層注射器注射速度為0.1-3mL/h，芯層注射器注射速度為0.2-5mL/h，同軸針頭的直徑為0.2-0.6mm，內軸直徑為0.3-0.8mm，外軸直徑為0.5-1.3mm。
下面結合具體實施例，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。所舉實施例是為了更好地對本發明的內容進行說明，但并不是本發明的內容僅限于所舉實施例。所以熟悉本領域的技術人員根據上述發明內容對實施方案進行的非本質改進和調整，仍屬于本發明的保護范圍。
實施例1
將聚乳酸高分子溶于三氯甲烷中形成3wt%的均相溶液，置于連通靜電紡絲針頭外層結構的注射裝置中，空氣置于連通靜電紡絲針頭芯層結構的注射裝置中，并固定在微量注射泵上。
接收板中心與針頭尖端連線垂直于接收面，垂直接收板1距離針頭尖端為10cm，上平行板2距離針頭尖端為10cm，下平行板3距離針頭尖端為6cm，接收板1、3接地，接收板2與針頭電壓相同，相位差為半周期。垂直接收板的方波電壓的周期為0.3s，電壓高值為10kV，低值為0。
設定靜電紡絲的環境溫度為10℃、相對濕度為20%。皮層注射速度為0.1 ml/h，芯層注射速度為0.2ml/h，同軸靜電紡絲的針頭芯層直徑0.2mm，皮層內徑為0.3mm，皮層外徑為0.5mm。切斷周期以接收板方波電壓的周期為周期，在垂直接收板（1）與高壓電源斷開時，在針頭位置切斷纖維，并接通上下平行接收板（2，3）高壓開關；在與高壓電源斷開的下半周期中，接收板3接受生成的超支化中空結構羽絨，然后循環進行下一周期。
從而獲得一級絨枝直徑15-25μm，二級絨枝直徑3-10μm，三級絨枝直徑0.3-1μm的朵絨。利用GB/T 14272-2011<羽絨服裝>中羽絨蓬松度測試法得到蓬松度為15.6cm。參照GB11048-89<紡織品保暖性能實驗方法>，填充量為25g時的導熱系數為1.0W/m2℃，保溫率為87.3%。
實施例2
將聚乙烯醇溶于三氯甲烷中形成30wt%的均相溶液，置于連通靜電紡絲針頭皮層結構的注射裝置中，空氣置于連通靜電紡絲針頭芯層結構的注射裝置中，并固定在微量注射泵上。
接收板中心與針頭尖端連線垂直于接收面，垂直接收板1距離針頭尖端為30cm，上平行板2距離針頭尖端為30cm，下平行板3距離針頭尖端為50cm，接收板1、3接地，接收板2與針頭電壓相同，相位差為半周期。垂直接收板的方波電壓的周期為2s，電壓高值為40kV，低值為0。
設定靜電紡絲的環境溫度為40℃、相對濕度為50%。皮層注射速度為3ml/h，芯層注射速度為5ml/h，同軸靜電紡絲的針頭芯層直徑0.6mm，皮層內徑為0.8mm，皮層外徑為1.3mm。切斷周期以接收板方波電壓的周期為周期，在垂直接收板（1）與高壓電源斷開時，在針頭位置切斷纖維，并接通上下平行接收板（2，3）高壓開關；在與高壓電源斷開的下半周期中，接收板3接受生成的超支化中空結構羽絨，然后循環進行下一周期。
從而獲得一級絨枝直徑10-15μm，二級絨枝直徑3-6μm，三級絨枝直徑0.2-0.6μm的朵絨。利用GB/T 14272-2011<羽絨服裝>中羽絨蓬松度測試法得到蓬松度為17.6cm。參照GB11048-89<紡織品保暖性能實驗方法>，填充量為25g時的導熱系數為0.8W/m2℃，保溫率為89.3%。
實施例3
將聚乳酸溶于二氯甲烷中形成15wt%的均相溶液，置于連通靜電紡絲針頭皮層結構的注射裝置中，氮氣置于連通靜電紡絲針頭芯層結構的注射裝置中，并固定在微量注射泵上。
接收板中心與針頭尖端連線垂直于接收面，垂直接收板1距離針頭尖端為20cm，上平行板2距離針頭尖端為20cm，下平行板3距離針頭尖端為30cm，接收板1、3接地，接收板2與針頭電壓相同，相位差為半周期。垂直接收板的方波電壓的周期為1.6s，電壓高值為30kV，低值為0。
設定靜電紡絲的環境溫度為30℃、相對濕度為21%。皮層注射速度為0.5ml/h，芯層注射速度為0.9ml/h，同軸靜電紡絲的針頭芯層直徑0.4mm，皮層內徑為0.6mm，皮層外徑為1.0mm。切斷周期以接收板方波電壓的周期為周期，在垂直接收板（1）與高壓電源斷開時，在針頭位置切斷纖維，并接通上下平行接收板（2，3）高壓開關；在與高壓電源斷開的下半周期中，接收板3接受生成的超支化中空結構羽絨，然后循環進行下一周期。
從而獲得一級絨枝直徑11-17μm，二級絨枝直徑2-8μm，三級絨枝直徑0.4-0.9μm的朵絨。利用GB/T 14272-2011<羽絨服裝>中羽絨蓬松度測試法得到蓬松度為18.6cm。參照GB11048-89<紡織品保暖性能實驗方法>，填充量為25g時的導熱系數為0.83W/m2℃，保溫率為88.3%。
實施例4
將聚乳酸溶于四氫呋喃中形成18wt%的均相溶液，置于連通靜電紡絲針頭皮層結構的注射裝置中，三氯甲烷置于連通靜電紡絲針頭芯層結構的注射裝置中，并固定在微量注射泵上。
接收板中心與針頭尖端連線垂直于接收面，垂直接收板1距離針頭尖端為10cm，上平行板2距離針頭尖端為20cm，下平行板3距離針頭尖端為6cm，接收板1、3接地，接收板2與針頭電壓相同，相位差為半周期。垂直接收板的方波電壓的周期為2s，電壓高值為20kV，低值為0。
設定靜電紡絲的環境溫度為20℃、相對濕度為20%。皮層注射速度為0.2ml/h，芯層注射速度為4ml/h，同軸靜電紡絲的針頭芯層直徑0.2mm，皮層內徑為0.3mm，皮層外徑為0.5mm。切斷周期以接收板方波電壓的周期為周期，在垂直接收板（1）與高壓電源斷開時，在針頭位置切斷纖維，并接通上下平行接收板（2，3）高壓開關；在與高壓電源斷開的下半周期中，接收板3接受生成的超支化中空結構羽絨，然后循環進行下一周期。
從而獲得一級絨枝直徑3-15μm，二級絨枝直徑1-6μm，三級絨枝直徑0.2-0.4μm的朵絨。利用GB/T 14272-2011<羽絨服裝>中羽絨蓬松度測試法得到蓬松度為18.6cm。參照GB11048-89<紡織品保暖性能實驗方法>，填充量為25g時的導熱系數為0.6W/m2℃，保溫率為92.3%。
實施例5
將聚乙烯醇溶于三氯甲烷中形成5wt%的均相溶液，置于連通靜電紡絲針頭皮層結構的注射裝置中，氮氣置于連通靜電紡絲針頭芯層結構的注射裝置中，并固定在微量注射泵上。
接收板中心與針頭尖端連線垂直于接收面，垂直接收板1距離針頭尖端為30cm，上平行板2距離針頭尖端為10cm，下平行板3距離針頭尖端為50cm，接收板1、3接地，接收板2與針頭電壓相同，相位差為半周期。垂直接收板的方波電壓的周期為2s，電壓高值為20kV，低值為0。
設定靜電紡絲的環境溫度為40℃、相對濕度為20%。皮層注射速度為0.3ml/h，芯層注射速度為0.2ml/h，同軸靜電紡絲的針頭芯層直徑0.5mm，皮層內徑為0.8mm，皮層外徑為1.0mm。切斷周期以接收板方波電壓的周期為周期，在垂直接收板（1）與高壓電源斷開時，在針頭位置切斷纖維，并接通上下平行接收板（2，3）高壓開關；在與高壓電源斷開的下半周期中，接收板3接受生成的超支化中空結構羽絨，然后循環進行下一周期。
從而獲得一級絨枝直徑4-13μm，二級絨枝直徑1-8μm，三級絨枝直徑0.3-0.6μm的朵絨。利用GB/T 14272-2011<羽絨服裝>中羽絨蓬松度測試法得到蓬松度為18.6cm。參照GB11048-89<紡織品保暖性能實驗方法>，填充量為25g時的導熱系數為0.9W/m2℃，保溫率為88.3%。
實施例6
將聚乳酸溶于三氯甲烷中形成23wt%的均相溶液，置于連通靜電紡絲針頭皮層結構的注射裝置中，空氣置于連通靜電紡絲針頭芯層結構的注射裝置中，并固定在微量注射泵上。
接收板中心與針頭尖端連線垂直于接收面，垂直接收板1距離針頭尖端為30cm，上平行板2距離針頭尖端為20cm，下平行板3距離針頭尖端為40cm，接收板1、3接地，接收板2與針頭電壓相同，相位差為半周期。垂直接收板的方波電壓的周期為2s，電壓高值為30kV，低值為0。
設定靜電紡絲的環境溫度為30℃、相對濕度為50%。皮層注射速度為2ml/h，芯層注射速度為4ml/h，同軸靜電紡絲的針頭芯層直徑0.6mm，皮層內徑為0.8mm，皮層外徑為1.3mm。切斷周期以接收板方波電壓的周期為周期，在垂直接收板（1）與高壓電源斷開時，在針頭位置切斷纖維，并接通上下平行接收板（2，3）高壓開關；在與高壓電源斷開的下半周期中，接收板3接受生成的超支化中空結構羽絨，然后循環進行下一周期。
從而獲得一級絨枝直徑10-13μm，二級絨枝直徑3-7μm，三級絨枝直徑0.4-0.6μm的朵絨。利用GB/T 14272-2011<羽絨服裝>中羽絨蓬松度測試法得到蓬松度為14.6cm。參照GB11048-89<紡織品保暖性能實驗方法>，填充量為25g時的導熱系數為1.2W/m2℃，保溫率為69.3%。
實施例7
將聚乙烯醇溶于三氯甲烷/二氯甲烷（50wt%/50 wt%）的混合溶液中形成8wt%的均相溶液，置于連通靜電紡絲針頭皮層結構的注射裝置中，空氣置于連通靜電紡絲針頭芯層結構的注射裝置中，并固定在微量注射泵上。
接收板中心與針頭尖端連線垂直于接收面，垂直接收板1距離針頭尖端為19cm，上平行板2距離針頭尖端為23cm，下平行板3距離針頭尖端為35cm，接收板1、3接地，接收板2與針頭電壓相同，相位差為半周期。垂直接收板的方波電壓的周期為1.3s，電壓高值為22kV，低值為0。
設定靜電紡絲的環境溫度為30℃、相對濕度為34%。皮層注射速度為0.3ml/h，芯層注射速度為5ml/h，同軸靜電紡絲的針頭芯層直徑0.6mm，皮層內徑為0.8mm，皮層外徑為1.3mm。切斷周期以接收板方波電壓的周期為周期，在垂直接收板（1）與高壓電源斷開時，在針頭位置切斷纖維，并接通上下平行接收板（2，3）高壓開關；在與高壓電源斷開的下半周期中，接收板3接受生成的超支化中空結構羽絨，然后循環進行下一周期。
從而獲得一級絨枝直徑14-18μm，二級絨枝直徑3-5μm，三級絨枝直徑0.2-1μm的朵絨。利用GB/T 14272-2011<羽絨服裝>中羽絨蓬松度測試法得到蓬松度為14.6cm。參照GB11048-89<紡織品保暖性能實驗方法>，填充量為25g時的導熱系數為1.1W/m2℃，保溫率為79.2%。