本发明属于仿生结构纺织品制备领域，涉及一种静电纺丝设备及其制备超支化中空结构羽绒的方法。
背景技术：
天然羽绒主要是由鸭、鹅等禽类胸部的柔软羽毛构成。按颜色可分为灰鹅绒、白鹅绒、灰鸭绒、白鸭绒等。羽绒具有支化结构（星朵状结构），即从绒核中衍生出来多根绒枝，沿着绒枝分叉出许多更小更细的二级绒枝、甚至三级绒枝，绒枝表面有沟槽或节点[高晶，于伟东，潘宁，纺织学报，2007，28（1），1-4]。绒枝很细且极易弯曲。由于羽绒结构上的特征，使得当它承受压力时，这些绒枝难以相挤入，最后以细微的抵抗力被压缩，但在压力解除后很快恢复，羽绒具有优异的蓬松性。
另一方面，在每一朵绒朵中，都包含着几十根结构相同的绒枝，每根绒枝之间存在着一定斥力，使每根绒枝之间的间距保持最大，理论上能存在更多空气。每一根绒枝中，都长有许多二阶绒枝，当众多羽绒混在一起时，二阶绒枝相互交缠、重叠，形成阻止空气自由流动的多重屏障，加大空气的对流难度。同时羽绒的每一条绒枝均是中空的，里面充满空气，而空气是最好的保温材料。故而在天然材料中拥有最佳的保温效果。
虽然羽绒具有明显的优点，但作为禽类产业的副产品，由于受生长周期及食用价值的影响，理想绒朵性能并不能得到保证，同时羽绒中的菌类含量、扬尘及禽流感等问题也困扰着羽绒相关产业的发展。
人造羽绒成为羽绒产业发展的方向，但现行的人造羽绒多采用高山牦牛绒、超细羊毛等天然纤维和PVA等化学纤维或织物，通过植绒等方法加工获得[周彬，王慧玲，刘华，樊理山，瞿才新，张圣忠，一种人造羽绒生产设备，ZL 201510988301.4]，无论是手感、回弹性、保暖性，还是舒适度，都逊于天然羽绒。
另一方面静电纺丝作为一种新型的非织造制备织物的方法，能够获得不同尺度直径、结构的纤维。其中分支状结构纤维是在射流的裂分时形成的，由于裂分造成电荷分布不均，导致细流进一步分裂成更细的多股，逐级分裂形成多级支化结构[李山山，何素文，胡祖明，于俊荣，陈蕾，诸静，合成纤维工业，2009，32（4），44-46]，即形成超支化结构。需要设计控制超支化结构的长度，从而指导制备人造羽绒。
技术实现要素：
本发明为解决现有羽绒生产周期长、产量不稳定、后处理复杂的难题，同时解决现有人造羽绒结构相似度差、性能低下的技术问题，提供了一种静电纺丝设备及其制备超支化中空结构羽绒的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种静电纺丝设备，包括外壳、垂直接收板、上接收板、下接收板、切断刀、同轴针头、与同轴针头内轴相连通的芯层注射器和与同轴针头外轴相连通的皮层注射器，以及给芯层注射器和皮层注射器提供外力的微量注射泵，切断刀平行于垂直接收板设于同轴针头处，切断刀的一端固定在外壳上，整个静电纺丝设备的方波高压由连有周期性开关的高压发生器提供，所述周期性开关包括同时与垂直接收板与下接收板连接的开关Ⅱ，和与上接收板相连接的开关Ⅰ。
所述垂直接收板、上接收板、下接收板、切断刀和同轴针头均固定在外壳上，垂直接收板、上接收板和下接收板组成匚型，同轴针头位于匚型中部。
所述垂直接收板、上接收板和下接收板为金属板或覆有锡箔层的金属板。
一种静电纺丝设备制备超支化中空结构羽绒的方法，制备步骤如下：
（1）将高分子化合物溶于挥发性溶剂中形成均相溶液，加入皮层注射器中，芯层物质通入芯层注射器中，然后将带有同轴针头的注射器固定于微量注射泵；
（2）将静电纺丝设备同轴针头的轴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调整至垂直于同轴针头尖端与该接收板中心的连线，并保证垂直接收板垂直于同轴针头的轴向方向，上、下接受板平行于同轴针头的轴向方向，并分别平行于水平面，将开关Ⅱ接通垂直接收板，开关Ⅰ与上接收板断开，为垂直接收板通以呈周期性变化的方波电压；
（3）调节静电纺丝设备工作的环境温度和湿度，打开微量注射泵使溶液从同轴针头喷出，以针头处方波电压的周期为周期，切断刀从最高处开始向下运动，在1/2周期时，切断刀到达针头处，切断纤维，此时开关Ⅱ断开垂直接收板、接通下接收板，开关Ⅰ接通上接收板；再过1/2周期，开关Ⅱ接通垂直接收板，开关Ⅰ与上接收板断开，切断刀到达最低处，并准备向上运动，如此循环往复，获得不同绒枝直径和长度的中空结构羽绒。
所述步骤（1）中，高分子化合物为聚乳酸或聚乙烯醇，挥发性溶剂为三氯甲烷、二氯甲烷、四氢呋喃中的一种或多种，高分子化合物的含量为3-30wt%，芯层为空气、氮气、三氯甲烷中的一种或多种。
所述步骤（2）中，垂直接收板的方波电压的周期为0.3s-2s，高电压值为10-40kV，不接地时作为低压；垂直接收板中心与同轴针头尖端连线垂直于接收面，垂直接收板距离同轴针头尖端为10-30cm，上接收板板距离针头尖端为10-30cm，下接收板距离同轴针头尖端为6-50cm，垂直接收板和下接收板连有接地开关，上接收板与同轴针头电压相同，相位差为方波电压的半周期。
所述步骤（3）中，静电纺丝设备工作的环境温度为10-40℃、相对湿度为20-50%；皮层注射器注射速度为0.1-3mL/h，芯层注射器注射速度为0.2-5mL/h，同轴针头的直径为0.2-0.6mm，内轴直径为0.3-0.8mm，外轴直径为0.5-1.3mm。
溶液细流从同轴针头出来后，单根细丝带有正电荷，随着溶剂的挥发，电荷密度增大，能量升高，出现爆炸形成球状丝束；同时随着上下接收板电压差的产生，细流由向垂直接受板的运动突然转向90°变为向下接收板的运动，单丝进一步分裂，从而形成超支化羽绒结构。
方波高压由连有周期性开关的高压发生器（高压电源）提供，也就是方波高电压为高压发生器电压，与高压电源断开状态定义为低压状态。
本发明的有益效果在于：
1. 本发明制备羽绒的静电纺丝设备结构简单，设计合理；采用通用高分子，价格低，无后继处理，制备路线简单；
2. 本发明制备的超支化中空结构羽绒无毒、无味，绿色环保，无需后处理，绒枝长度可控，蓬松性、保暖性可调；结构蓬松，回弹性好；
3. 本发明制备的羽绒为中空结构，进一步提高了保暖性；超支化及中空双重仿生结构，在最大程度上保持了羽绒的蓬松性和保暖性。
附图说明
图1为静电纺丝设备的结构示意图，其中，1-垂直接收板，2-上接收板，3-下接收板，4-切断刀，5-同轴针头，6-芯层注射器，7-皮层注射器，8-微量注射泵，9-开关Ⅰ，10-开关Ⅱ。
具体实施方式
一种静电纺丝设备，包括外壳、垂直接收板、上接收板、下接收板、切断刀、同轴针头、与同轴针头内轴相连通的芯层注射器和与同轴针头外轴相连通的皮层注射器，以及给芯层注射器和皮层注射器提供外力的微量注射泵，切断刀平行于垂直接收板设于同轴针头处，切断刀的一端固定在外壳上，整个静电纺丝设备的方波高压由连有周期性开关的高压发生器提供。
所述垂直接收板、上接收板、下接收板、切断刀和同轴针头均固定在外壳上，垂直接收板、上接收板和下接收板组成匚型，同轴针头位于匚型中部。
所述垂直接收板、上接收板和下接收板为金属板或覆有锡箔层的金属板。
一种静电纺丝设备制备超支化中空结构羽绒的方法，制备步骤如下：
（1）将高分子化合物溶于挥发性溶剂中形成均相溶液，加入皮层注射器中，芯层物质通入芯层注射器中，然后将带有同轴针头的注射器固定于微量注射泵；
（2）将静电纺丝设备同轴针头的轴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调整至垂直于同轴针头尖端与该接收板中心的连线，并保证垂直接收板垂直于同轴针头的轴向方向，上、下接受板平行于同轴针头的轴向方向，并分别平行于水平面，将开关Ⅱ接通垂直接收板，开关Ⅰ与上接收板断开，为垂直接收板通以呈周期性变化的方波电压；
（3）调节静电纺丝设备工作的环境温度和湿度，打开微量注射泵使溶液从同轴针头喷出，以针头处方波电压的周期为周期，切断刀从最高处开始向下运动，在1/2周期时，切断刀到达针头处，切断纤维，此时开关Ⅱ断开垂直接收板、接通下接收板，开关Ⅰ接通上接收板；再过1/2周期，开关Ⅱ接通垂直接收板，开关Ⅰ与上接收板断开，切断刀到达最低处，并准备向上运动，如此循环往复，获得不同绒枝直径和长度的中空结构羽绒。
所述步骤（1）中，高分子化合物为聚乳酸或聚乙烯醇，挥发性溶剂为三氯甲烷、二氯甲烷、四氢呋喃中的一种或多种，高分子化合物的含量为3-30wt%，芯层为空气、氮气、三氯甲烷中的一种或多种。
所述步骤（2）中，垂直接收板的方波电压的周期为0.3s-2s，高电压值为10-40kV，不接地时作为低压；垂直接收板中心与同轴针头尖端连线垂直于接收面，垂直接收板距离同轴针头尖端为10-30cm，上接收板板距离针头尖端为10-30cm，下接收板距离同轴针头尖端为6-50cm，垂直接收板和下接收板连有接地开关，上接收板与同轴针头电压相同，相位差为方波电压的半周期。
所述步骤（3）中，静电纺丝设备工作的环境温度为10-40℃、相对湿度为20-50%；皮层注射器注射速度为0.1-3mL/h，芯层注射器注射速度为0.2-5mL/h，同轴针头的直径为0.2-0.6mm，内轴直径为0.3-0.8mm，外轴直径为0.5-1.3mm。
下面结合具体实施例，对本发明的优选实施例进行详细的描述。所举实施例是为了更好地对本发明的内容进行说明，但并不是本发明的内容仅限于所举实施例。所以熟悉本领域的技术人员根据上述发明内容对实施方案进行的非本质改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
将聚乳酸高分子溶于三氯甲烷中形成3wt%的均相溶液，置于连通静电纺丝针头外层结构的注射装置中，空气置于连通静电纺丝针头芯层结构的注射装置中，并固定在微量注射泵上。
接收板中心与针头尖端连线垂直于接收面，垂直接收板1距离针头尖端为10cm，上平行板2距离针头尖端为10cm，下平行板3距离针头尖端为6cm，接收板1、3接地，接收板2与针头电压相同，相位差为半周期。垂直接收板的方波电压的周期为0.3s，电压高值为10kV，低值为0。
设定静电纺丝的环境温度为10℃、相对湿度为20%。皮层注射速度为0.1 ml/h，芯层注射速度为0.2ml/h，同轴静电纺丝的针头芯层直径0.2mm，皮层内径为0.3mm，皮层外径为0.5mm。切断周期以接收板方波电压的周期为周期，在垂直接收板（1）与高压电源断开时，在针头位置切断纤维，并接通上下平行接收板（2，3）高压开关；在与高压电源断开的下半周期中，接收板3接受生成的超支化中空结构羽绒，然后循环进行下一周期。
从而获得一级绒枝直径15-25μm，二级绒枝直径3-10μm，三级绒枝直径0.3-1μm的朵绒。利用GB/T 14272-2011<羽绒服装>中羽绒蓬松度测试法得到蓬松度为15.6cm。参照GB11048-89<纺织品保暖性能实验方法>，填充量为25g时的导热系数为1.0W/m2℃，保温率为87.3%。
实施例2
将聚乙烯醇溶于三氯甲烷中形成30wt%的均相溶液，置于连通静电纺丝针头皮层结构的注射装置中，空气置于连通静电纺丝针头芯层结构的注射装置中，并固定在微量注射泵上。
接收板中心与针头尖端连线垂直于接收面，垂直接收板1距离针头尖端为30cm，上平行板2距离针头尖端为30cm，下平行板3距离针头尖端为50cm，接收板1、3接地，接收板2与针头电压相同，相位差为半周期。垂直接收板的方波电压的周期为2s，电压高值为40kV，低值为0。
设定静电纺丝的环境温度为40℃、相对湿度为50%。皮层注射速度为3ml/h，芯层注射速度为5ml/h，同轴静电纺丝的针头芯层直径0.6mm，皮层内径为0.8mm，皮层外径为1.3mm。切断周期以接收板方波电压的周期为周期，在垂直接收板（1）与高压电源断开时，在针头位置切断纤维，并接通上下平行接收板（2，3）高压开关；在与高压电源断开的下半周期中，接收板3接受生成的超支化中空结构羽绒，然后循环进行下一周期。
从而获得一级绒枝直径10-15μm，二级绒枝直径3-6μm，三级绒枝直径0.2-0.6μm的朵绒。利用GB/T 14272-2011<羽绒服装>中羽绒蓬松度测试法得到蓬松度为17.6cm。参照GB11048-89<纺织品保暖性能实验方法>，填充量为25g时的导热系数为0.8W/m2℃，保温率为89.3%。
实施例3
将聚乳酸溶于二氯甲烷中形成15wt%的均相溶液，置于连通静电纺丝针头皮层结构的注射装置中，氮气置于连通静电纺丝针头芯层结构的注射装置中，并固定在微量注射泵上。
接收板中心与针头尖端连线垂直于接收面，垂直接收板1距离针头尖端为20cm，上平行板2距离针头尖端为20cm，下平行板3距离针头尖端为30cm，接收板1、3接地，接收板2与针头电压相同，相位差为半周期。垂直接收板的方波电压的周期为1.6s，电压高值为30kV，低值为0。
设定静电纺丝的环境温度为30℃、相对湿度为21%。皮层注射速度为0.5ml/h，芯层注射速度为0.9ml/h，同轴静电纺丝的针头芯层直径0.4mm，皮层内径为0.6mm，皮层外径为1.0mm。切断周期以接收板方波电压的周期为周期，在垂直接收板（1）与高压电源断开时，在针头位置切断纤维，并接通上下平行接收板（2，3）高压开关；在与高压电源断开的下半周期中，接收板3接受生成的超支化中空结构羽绒，然后循环进行下一周期。
从而获得一级绒枝直径11-17μm，二级绒枝直径2-8μm，三级绒枝直径0.4-0.9μm的朵绒。利用GB/T 14272-2011<羽绒服装>中羽绒蓬松度测试法得到蓬松度为18.6cm。参照GB11048-89<纺织品保暖性能实验方法>，填充量为25g时的导热系数为0.83W/m2℃，保温率为88.3%。
实施例4
将聚乳酸溶于四氢呋喃中形成18wt%的均相溶液，置于连通静电纺丝针头皮层结构的注射装置中，三氯甲烷置于连通静电纺丝针头芯层结构的注射装置中，并固定在微量注射泵上。
接收板中心与针头尖端连线垂直于接收面，垂直接收板1距离针头尖端为10cm，上平行板2距离针头尖端为20cm，下平行板3距离针头尖端为6cm，接收板1、3接地，接收板2与针头电压相同，相位差为半周期。垂直接收板的方波电压的周期为2s，电压高值为20kV，低值为0。
设定静电纺丝的环境温度为20℃、相对湿度为20%。皮层注射速度为0.2ml/h，芯层注射速度为4ml/h，同轴静电纺丝的针头芯层直径0.2mm，皮层内径为0.3mm，皮层外径为0.5mm。切断周期以接收板方波电压的周期为周期，在垂直接收板（1）与高压电源断开时，在针头位置切断纤维，并接通上下平行接收板（2，3）高压开关；在与高压电源断开的下半周期中，接收板3接受生成的超支化中空结构羽绒，然后循环进行下一周期。
从而获得一级绒枝直径3-15μm，二级绒枝直径1-6μm，三级绒枝直径0.2-0.4μm的朵绒。利用GB/T 14272-2011<羽绒服装>中羽绒蓬松度测试法得到蓬松度为18.6cm。参照GB11048-89<纺织品保暖性能实验方法>，填充量为25g时的导热系数为0.6W/m2℃，保温率为92.3%。
实施例5
将聚乙烯醇溶于三氯甲烷中形成5wt%的均相溶液，置于连通静电纺丝针头皮层结构的注射装置中，氮气置于连通静电纺丝针头芯层结构的注射装置中，并固定在微量注射泵上。
接收板中心与针头尖端连线垂直于接收面，垂直接收板1距离针头尖端为30cm，上平行板2距离针头尖端为10cm，下平行板3距离针头尖端为50cm，接收板1、3接地，接收板2与针头电压相同，相位差为半周期。垂直接收板的方波电压的周期为2s，电压高值为20kV，低值为0。
设定静电纺丝的环境温度为40℃、相对湿度为20%。皮层注射速度为0.3ml/h，芯层注射速度为0.2ml/h，同轴静电纺丝的针头芯层直径0.5mm，皮层内径为0.8mm，皮层外径为1.0mm。切断周期以接收板方波电压的周期为周期，在垂直接收板（1）与高压电源断开时，在针头位置切断纤维，并接通上下平行接收板（2，3）高压开关；在与高压电源断开的下半周期中，接收板3接受生成的超支化中空结构羽绒，然后循环进行下一周期。
从而获得一级绒枝直径4-13μm，二级绒枝直径1-8μm，三级绒枝直径0.3-0.6μm的朵绒。利用GB/T 14272-2011<羽绒服装>中羽绒蓬松度测试法得到蓬松度为18.6cm。参照GB11048-89<纺织品保暖性能实验方法>，填充量为25g时的导热系数为0.9W/m2℃，保温率为88.3%。
实施例6
将聚乳酸溶于三氯甲烷中形成23wt%的均相溶液，置于连通静电纺丝针头皮层结构的注射装置中，空气置于连通静电纺丝针头芯层结构的注射装置中，并固定在微量注射泵上。
接收板中心与针头尖端连线垂直于接收面，垂直接收板1距离针头尖端为30cm，上平行板2距离针头尖端为20cm，下平行板3距离针头尖端为40cm，接收板1、3接地，接收板2与针头电压相同，相位差为半周期。垂直接收板的方波电压的周期为2s，电压高值为30kV，低值为0。
设定静电纺丝的环境温度为30℃、相对湿度为50%。皮层注射速度为2ml/h，芯层注射速度为4ml/h，同轴静电纺丝的针头芯层直径0.6mm，皮层内径为0.8mm，皮层外径为1.3mm。切断周期以接收板方波电压的周期为周期，在垂直接收板（1）与高压电源断开时，在针头位置切断纤维，并接通上下平行接收板（2，3）高压开关；在与高压电源断开的下半周期中，接收板3接受生成的超支化中空结构羽绒，然后循环进行下一周期。
从而获得一级绒枝直径10-13μm，二级绒枝直径3-7μm，三级绒枝直径0.4-0.6μm的朵绒。利用GB/T 14272-2011<羽绒服装>中羽绒蓬松度测试法得到蓬松度为14.6cm。参照GB11048-89<纺织品保暖性能实验方法>，填充量为25g时的导热系数为1.2W/m2℃，保温率为69.3%。
实施例7
将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，置于连通静电纺丝针头皮层结构的注射装置中，空气置于连通静电纺丝针头芯层结构的注射装置中，并固定在微量注射泵上。
接收板中心与针头尖端连线垂直于接收面，垂直接收板1距离针头尖端为19cm，上平行板2距离针头尖端为23cm，下平行板3距离针头尖端为35cm，接收板1、3接地，接收板2与针头电压相同，相位差为半周期。垂直接收板的方波电压的周期为1.3s，电压高值为22kV，低值为0。
设定静电纺丝的环境温度为30℃、相对湿度为34%。皮层注射速度为0.3ml/h，芯层注射速度为5ml/h，同轴静电纺丝的针头芯层直径0.6mm，皮层内径为0.8mm，皮层外径为1.3mm。切断周期以接收板方波电压的周期为周期，在垂直接收板（1）与高压电源断开时，在针头位置切断纤维，并接通上下平行接收板（2，3）高压开关；在与高压电源断开的下半周期中，接收板3接受生成的超支化中空结构羽绒，然后循环进行下一周期。
从而获得一级绒枝直径14-18μm，二级绒枝直径3-5μm，三级绒枝直径0.2-1μm的朵绒。利用GB/T 14272-2011<羽绒服装>中羽绒蓬松度测试法得到蓬松度为14.6cm。参照GB11048-89<纺织品保暖性能实验方法>，填充量为25g时的导热系数为1.1W/m2℃，保温率为79.2%。