CN111285345A - 一种由水凝胶前体材料通过水热过程制备碳气凝胶的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种由水凝胶前体材料通过水热过程制备碳气凝胶的方法，属于新材料领域，解决了现有技术中碳制备过程复杂、采用超临界干燥成本昂贵的问题。本发明包括以下步骤：步骤1、利用稀盐酸将壳聚糖进行酸化，并与水溶性碳水化合物形成混合溶液；步骤2、加入聚山梨酯类非离子表面活性剂和液体石蜡，然后加入戊二醛，形成水凝胶；步骤3、将水凝胶置于反应釜中进行水热反应，得到初级碳化产物；步骤4、清洗初级碳化产物并采用两级溶剂置换；步骤5、将初级碳化产物做进一步热处理，利用扫描电子显微镜表征其微观结构，并由氮气吸附测定样品孔隙性质。本发明利用低成本原料一步生成碳气凝胶结构；利用两级溶剂置换实现碳气凝胶结构常压干燥。

Description

一种由水凝胶前体材料通过水热过程制备碳气凝胶的方法

技术领域

本发明涉及新材料技术领域，尤其涉及一种由水凝胶前体材料通过水热过程制备碳气凝胶的方法。

背景技术

1932年Kistler首次提出气凝胶的概念，指代凝胶中的液体被气体取代后没有坍塌的固体结构。二氧化硅结构为研究最多的气凝胶，相对比较成熟，2003年Aspen Aerogels和Cabot Aerogels已经开始量产二氧化硅气凝胶颗粒和成型材料。

碳气凝胶是一类相对特殊的材料，通常需要一有机高分气凝胶为前驱体，经过碳化得到。碳气凝胶常使用的前驱体材料有：间苯二酚甲醛气凝胶(RF)，三聚氰胺甲醛气凝胶(MF)，酚醛气凝胶(PF)，聚丙烯腈和聚亚胺酯体系。碳气凝胶的应用包括：储能材料(超级电容电极，锂电池电极)，气体存储与吸附(氢和天然气)，催化材料，隔热材料和电磁等隔离材料。

虽然碳气凝胶有诸多优异性能，但目前还没有具有实用价值的生产制备方法，主要存在两个制约因素：1)制备过程步骤多，前驱体成本高，碳化过程结构控制困难，整体得率偏低，这使得制备合格的碳气凝胶的成本偏高而没有应用价值；2)有机前驱体制备过程中采用的干燥技术，目前有机前驱体的干燥主要采用超临界干燥，由于需要高压等极限操作条件，其成本偏高。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种由水凝胶前体材料通过水热过程制备碳气凝胶的方法，用以解决现有碳气凝胶制备方法存在以下问题：1)制备过程步骤多，前驱体成本高，碳化过程结构控制困难，整体得率偏低，这使得制备合格的碳气凝胶的成本偏高而没有应用价值；2)现有的有机前驱体的干燥主要采用超临界干燥，由于需要高压等极限操作条件，其成本偏高。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种由水凝胶前体材料通过水热过程制备碳气凝胶的方法，包括以下步骤：

步骤1、利用质量浓度为10％的稀盐酸将壳聚糖进行酸化，将得到的盐酸酸化壳聚糖和水溶性碳水化合物均溶于去离子水中，形成混合溶液；

步骤2、向混合溶液中加入聚山梨酯类非离子表面活性剂和液体石蜡，形成微乳化体系；然后加入重量为微乳化体系重量的0.1～1.5％的交联剂戊二醛，搅拌均匀后静置直至完全形成水凝胶；

步骤3、将水凝胶静置于水热反应釜中进行水热反应，水热反应温度为160～220℃，反应时间为3.0～6.0h，反应完成后自然冷却至室温，得到初级碳化产物；

步骤4、利用去离子水清洗该初级碳化产物至中性，将中性初级碳化产物的含水量控制在为50～70％范围内；控水后采用两级溶剂置换，置换完后在室温下采用真空干燥以辅助残留溶剂挥发至初级碳化产物重量保持不变；

步骤5、将干燥后的初级碳化产物做进一步热处理.

进一步地,步骤5获得的样品利用扫描电子显微镜表征其微观结构，并由氮气吸附测定样品的孔隙性质。

进一步地，在步骤4中，两级溶剂置换包括第一级溶剂置换和第二级溶剂置换；

在第一级溶剂置换中，第一级置换溶剂为乙醇-正丁醇体系，乙醇与正丁醇的体积比为4:1～1:1，第一级置换溶剂的用量为中性的初级碳化产物重量的1～8倍。

进一步地，在步骤4中，在第二级溶剂置换中，第二级置换溶剂为正丁醇-正己烷体系，正丁醇与正己烷的体积比为5:1～2:1，第二级置换溶剂的用量为中性的初级碳化产物重量的2～9倍。

进一步地，在步骤1中，在混合溶液中，盐酸酸化壳聚糖的质量浓度范围为0.2～2.5％，水溶性碳水化合物的质量浓度范围为10～30％。

进一步地，在步骤5中，进一步热处理过程在管式炉中进行，热处理温度为600～900℃，升温速率为1.0～5.0℃/min，热处理过程在氮气流中进行，氮气流速范围为60～600ml/min，热处理时间为15～90min。

进一步地，在步骤2中，聚山梨酯类非离子表面活性剂的加入量为混合溶液重量的0.2～2.0％，液体石蜡的加入量为混合溶液重量的2～8％。

进一步地，在步骤2中，壳聚糖为甲壳素N-脱乙酰基的产物。

进一步地，在步骤2中，聚山梨酯类非离子表面活性剂为吐温-20、吐温-40、吐温-60或吐温-80中的一种。

进一步地，在步骤1中，水溶性碳水化合物为葡萄糖、木糖、蔗糖或乳糖中的一种。

进一步地，在步骤3中，水热反应釜为设有聚四氟内衬的不锈钢反应釜。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)与现有技术相比，本发明以绿色可再生的碳水化合物为碳源，通过多糖聚合物形成的水凝胶直接水热得到碳气凝胶结构，实现了利用低成本原料一步生成碳气凝胶结构；利用基于逐级不同极性溶剂置换来实现碳气凝胶结构的常压干燥(APD)。

(2)本发明的碳化过程结构控制容易，本发明中整个水热碳化过程分为三个阶段：1)由水溶性碳水化合物形成碳胶体颗粒，2)碳胶体颗粒聚集形成凝胶网络，3)凝胶网络进一步缩合重整。碳水化合物在水热条件下形成碳胶体颗粒但无法形成稳定的凝胶网络，其通过分形聚集形成初级的凝胶网络，但此低聚体无法进一步形成较大规模的稳定凝胶网络，由于碳胶体颗粒间的脱水缩合直接造成网络结构的坍塌，最终碳胶体颗粒聚集成更大的颗粒，无法形成凝胶网络。在本发明中，以壳聚糖高分子链为基本结构单元，通过戊二醛的交联作用形成稳定的凝胶网络，碳水化合物溶液填充于凝胶网络中，在水热条件下生成的碳胶体颗粒会以壳聚糖交联凝胶网络为结构支撑形成碳凝胶网络，并在以此为基础形成宏观的碳凝胶结构。

(3)本发明制备的碳气凝胶的整体得率高，本发明水热处理的前体为水凝胶，而不是通常采用的水溶液。碳水化物溶液分散于壳聚糖交联凝胶网络，凝胶网络结构不仅能保证碳水化物溶液的浓度分散均一，还可以保证形成碳胶体颗粒大小分布较为均一，同时由于局部微反应器效应能够大幅提高碳水化物前体的利用率，使得碳气凝胶的整体得率高与水溶液状态的水热过程比，有明显的提高。

(4)干燥过程为溶剂分子从凝胶网络的孔结构中排出过程。但在常压条件下，溶剂的挥发会引起孔隙中的毛细管效应，直接导致多孔网络结构的坍塌。为了避免这一问题，在制备气凝胶材料过程多采用超临界条件下干燥，在超临界条件下，可以消除溶剂气化过程中的毛细管效应，有效避免多孔结构的收缩坍塌。但超临界干燥需要采用高温高压条件，这实际导致设备与操作成本很昂贵，同时限制了其较大规模的应用。超临界干燥过程实际是个高能耗和耗时的过程，另外，由于溶剂比较低的凝胶渗透率也会降低其实际的干燥效率，因此，超临界干燥无法实现工业化规模的应用。本发明采用了一种具有实用价值的常压干燥方法(Ambient Pressure Drying,APD)，针对常压干燥方法，必须有效抑制由于毛细管效应造成的孔隙结构的收缩与坍塌。孔隙间的毛细管压力主要取决于表面张力、溶剂的浸润性、黏度、干燥速率以及湿凝胶的渗透率。为了减少这些因素对干燥过程的负面影响，本发明采用了两种有效策略：1)在制备过程使用了干燥控制与调节添加剂，如聚山梨酯类非离子表面活性剂与液体石蜡；2)采用不同极性与黏度逐级交换凝胶结构中的水分子(即两级溶剂置换)，以调节表面张力、浸润性、黏度以及干燥速率等，从而能够有效抑制由于毛细管效应造成的孔隙结构的收缩与坍塌。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书实施例以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例1中以葡萄糖为原料的产物的扫描电子显微镜(SEM)测试的样品微观结构示意图；

图2为本发明实施例1中形成三维的水凝胶结构反应机理示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明公开了一种由水凝胶前体材料通过水热过程制备碳气凝胶的方法，包括以下步骤：

步骤1、利用质量浓度为10％的稀盐酸将壳聚糖进行酸化得到盐酸酸化壳聚糖，将盐酸酸化壳聚糖和水溶性碳水化合物均溶于去离子水中，形成混合溶液；在混合溶液中，盐酸酸化壳聚糖的质量浓度范围为0.2～2.5％，水溶性碳水化合物的质量浓度范围为10～30％。

需要说明的是，在上述步骤1中，将盐酸酸化壳聚糖的质量浓度范围控制0.2～2.5％内有利于形成稳定的水凝胶网络，同时也避免浓度太大造成溶液黏度过大和影响其他组分的溶解和分散；将水溶性碳水化合物的质量浓度范围为10～30％有利于提高过程效率和单次产量，避免高浓度下形成局部固体结焦问题。

步骤2、向混合溶液中加入聚山梨酯类非离子表面活性剂和液体石蜡，聚山梨酯类非离子表面活性剂的加入量为混合溶液重量的0.2～2.0％，液体石蜡的加入量为混合溶液重量的2～8％，向该分散均匀微乳化体系中加入形成水凝胶结构的交联剂戊二醛，戊二醛的加入量为加入聚山梨酯类非离子表面活性剂和液体石蜡后新形成的混合溶液重量的0.1～1.5％，加入戊二醛后搅拌均匀并静置至完全形成水凝胶；

需要说明的是，在上述步骤2中，聚山梨酯类非离子表面活性剂与液体石蜡为干燥控制与调节添加剂，将二者的使用量控制在上述范围内有利于消除干燥过程中孔隙毛细管压力。其中，聚山梨酯类非离子表面活性剂为吐温-20，吐温-40，吐温-60，吐温-80中的一种。戊二醛的使用量与盐酸酸化壳聚糖的使用量是相互关联的，戊二醛的作用为使酸化壳聚糖高分子链相互交联，将戊二醛的使用量控制在上述范围内有利于适当交联度水凝胶结构的形成，避免过度交联聚合而出现相分离问题。

步骤3、将水凝胶静置于设有聚四氟内衬的不锈钢反应釜中进行水热反应，水热反应温度为160～220℃，反应时间为3.0～6.0h，反应完成后自然冷却至室温，得到初级碳化产物；

需要说明的是，在上述步骤3中，反应采用的反应釜为标准的水热反应釜，聚四氟内衬作用为了防止对不锈钢釜壁的腐蚀，同时也是为了避免不锈钢材质释放的金属离子对制备材料的污染。

步骤4、利用去离子水清洗该初级碳化产物(黑色固体)至中性，将初级碳化产物的含水量控制在为50～70％范围内，控制含水量主要使湿凝胶的非结构吸附性含水量尽量被去除，从而有效提高溶剂交换过程的效率；控水后采用两级溶剂置换，第一级溶剂置换和第二级溶剂置换，在第一级溶剂置换中，第一级置换溶剂为乙醇-正丁醇，第一级置换溶剂中乙醇-正丁醇的体积比为4:1～1:1，第一级置换溶剂的用量为需处理固体总量(中性的初级碳化产物重量)的1～8倍。在第二级溶剂置换中，第二级置换溶剂为正丁醇-正己烷体系，第二级置换溶剂中的正丁醇-正己烷的体积比为5:1～2:1，第二级置换溶剂用量为需处理固体重量(中性的初级碳化产物重量)的2～9倍；两级溶剂置换完后，在室温下采用真空干燥环境以辅助残留溶剂挥发至固体重量(初级碳化产物重量)保持不变。

步骤5、将干燥后的初级碳化产物进一步进行热处理，热处理过程在管式炉中进行，加热管为刚玉管，热处理样品放置于石英容器中，管式炉采用电阻加热控温***，热处理的温度为600～900℃，升温速率为1.0～5.0℃/min，热处理过程在氮气流中进行，氮气流速范围为60～600ml/min，热处理过程在设定温度下处理15～90min，获得的样品利用扫描电子显微镜(SEM)表征其微观结构，由氮气吸附测定孔隙性质。

在上述步骤1中，本申请采用的壳聚糖为甲壳素N-脱乙酰基的产物，甲壳素在自然界分布广泛，存在于虾蟹等海洋节肢动物的甲壳、昆虫的甲壳、菌类和藻类细胞膜、软体动物的壳和骨骼及高等植物的细胞壁中。其储量仅居于纤维素之后，是第二大天然高分子，每年甲壳素生物合成的量约有100亿吨，是一种可循环的再生资源。壳聚糖分子结构中的自由氨基反应活性高，使得该多糖具有优异的生物学功能并能进行化学修饰反应。特别在酸性条件壳聚糖有其他糖类大分子不具备的溶解性，通过对氨基的交联可以形成三维网状结构。

本申请利用盐酸酸化的壳聚糖分子分散于水溶性碳水化合物的水溶液中，通过交联剂戊二醛的作用形成三维的水凝胶结构，其具体反应机理示意图如附图2所示。

在上述步骤1中，水溶性碳水化合物为葡萄糖，木糖，蔗糖，乳糖中的一种。

现有技术中，在无机二氧化硅气凝胶的干燥中，通过热临界干燥或冷超临界干燥可以取得比较好的效果，但超临界方式太耗时而不适合较大规模的工业生产。对于有机前驱体，CO₂的浸润性和渗透性都不是很好，干燥效果不是很好，利用其它溶剂的超临界状态会需要很高的温度和操作压力，过程相当昂贵，实用价值不大。

本申请在步骤4中，采用逐级不同极性溶剂置换以实现碳气凝胶的常压干燥(APD)方法，在这种条件下让溶剂分子从孔隙结构中排出而不造成结构坍塌，毛细压力取决于表面张力、空隙内液体的黏度、干燥速率以及湿凝胶的渗透率。

在常压条件下，溶剂的挥发会引起孔隙中的毛细管效应，直接导致多孔网络结构的坍塌。为了避免这一问题，现有技术中在制备气凝胶材料过程多采用超临界条件下干燥，在超临界条件下，可以消除溶剂气化过程中的毛细管效应，有效避免多孔结构的收缩坍塌。但超临界干燥需要采用高温高压条件，这实际导致设备与操作成本很昂贵，同时限制了其较大规模的应用。超临界干燥过程实际是个高能耗和耗时的过程，另外，由于溶剂比较低的凝胶渗透率也会降低其实际的干燥效率，因此，超临界干燥无法实现工业化规模的应用。

本发明采用了一种具有实用价值的常压干燥方法(Ambient Pressure Drying,APD)，针对常压干燥方法，必须有效抑制由于毛细管效应造成的孔隙结构的收缩与坍塌。孔隙间的毛细管压力主要取决于表面张力、溶剂的浸润性、黏度、干燥速率以及湿凝胶的渗透率。为了减少这些因素对干燥过程的负面影响，本发明采用了两种有效策略：1)在制备过程使用了干燥控制与调节添加剂，如聚山梨酯类非离子表面活性剂与液体石蜡；2)采用不同极性与黏度逐级交换凝胶结构中的水分子(即两级溶剂置换)，以调节表面张力、浸润性、黏度以及干燥速率等，从而能够有效抑制由于毛细管效应造成的孔隙结构的收缩与坍塌。

需要说明的是，本申请采用两级溶剂置换获得碳气凝胶，包括第一级溶剂置换和第二级溶剂置换；其中，在第一级溶剂置换中，第一级置换溶剂为乙醇-正丁醇，第一级置换溶剂中乙醇-正丁醇的体积比为4:1～1:1，第一级置换溶剂的用量为需处理固体总量(中性的初级碳化产物重量)的1～8倍；在第二级溶剂置换中，第二级置换溶剂为正丁醇-正己烷体系，第二级置换溶剂中正丁醇-正己烷的体积比为5:1～2:1，第二级置换溶剂为需处理固体重量(中性的初级碳化产物重量)的2～9倍。

本发明采用两级溶剂置换，主要是使得溶剂的极性能实现梯度转变，在实现溶剂有效置换的同时最大可能避免孔隙结构网络的收缩坍塌。初级水热碳化湿凝胶的孔隙网络中的溶剂为水分子，其极性大，自然干燥过程会引起很大的孔隙内毛细管压力，从而造成孔隙结构收缩坍塌。如果要有效将水分子从孔隙结构中置换，必须采用极性相近的溶剂，第一级置换采用了乙醇-正丁醇，然后在过渡至第二级极性较小正丁醇-正丁烷体系，极性小碳氢溶剂分子在常压气化过程引起的孔隙内毛细管压力远小于水分子的，由此可以有效避免溶剂从空隙排除而造成的孔隙结构坍塌。采用以上不同体积比混合溶剂，其目的在于调节适当的溶剂极性梯度，提高溶剂置换效率。

本发明方法选用两级混合溶剂进行置换，使得各类条件适合于常压干燥，同时使用聚山梨酯类非离子表面活性剂与液体石蜡作为干燥控制剂，其功能为缓和毛细压力释放后结构回弹效应，防止由于溶剂从空隙排除而造成的孔隙结构坍塌。

由于水热碳化过程的温度较低，本申请在步骤5中需要进一步热处理，其目的是提高含碳量和初级碳化产物中的杂原子。

实施例1

壳聚糖1.6g，36wt％浓盐酸1.0g，水溶性碳水化合物20g与去离子水77.4g形成均匀溶液；然后加入1.2g吐温-60和5.0g液体石蜡，搅拌形成分散均匀体系；滴加2.2g戊二醛水溶液(50wt％)，搅拌均匀后静置形成水凝胶；将水凝胶置于带有聚四氟内衬的不锈钢反应釜中，在180℃静置反应4.0小时；反应完后初级碳化产物由去离子水清洗至pH值为中性，然后由乙醇-正丁醇(V/V:2/1，45g)，正丁醇-正己烷(V/V:3/1，50g)体系依次进行溶剂置换，置换完的初级碳化产物在室温下真空干燥至质量保持不变；干燥完的初级碳化产物，在800℃进行进一步热处理，过程的升温速率为3.0℃/min，氮气流量为200ml/min，处理时间为45min。最终产物的扫描电子显微镜(SEM)测试的样品微观结构如附图1所示，产物的性能参数如表1所示：

表1 不同碳水化合物作为碳源制备碳气凝胶的性质

实施例2

壳聚糖，36wt％浓盐酸，葡萄糖与去离子水形成均匀溶液；然后加入吐温-60和液体石蜡，搅拌形成分散均匀体系；滴加戊二醛水溶液(50wt％)(具体水凝胶组成条件如表2所示)，搅拌均匀后静置形成水凝胶；将水凝胶置于带有聚四氟内衬的不锈钢反应釜中，在180℃静置反应4.0小时；反应完后初级碳化产物由去离子水清洗至pH值为中性，然后由乙醇-正丁醇(V/V:2/1，45g)，正丁醇-正己烷(V/V:3/1，50g)体系依次进行溶剂置换，置换完的初级碳化产物在室温下真空干燥至质量保持不变；干燥完的初级碳化产物，在800℃进行进一步热处理，过程的升温速率为3.0℃/min，氮气流量为200ml/min，处理时间为45min。最终产物的性能参数如表3所示。

表2 水凝胶组成条件

表3 最终产物性能

实施例3

壳聚糖1.6g，36wt％浓盐酸1.0g，葡萄糖20g与去离子水77.4g形成均匀溶液；然后加入1.2g吐温-60和5.0g液体石蜡，搅拌形成分散均匀体系；滴加2.2g戊二醛水溶液(50wt％)，搅拌均匀后静置形成水凝胶；将水凝胶置于带有聚四氟内衬的不锈钢反应釜中，在180℃静置反应4.0小时；反应完后初级碳化产物由去离子水清洗至pH值为中性，然后由乙醇-正丁醇，正丁醇-正己烷体系依次进行溶剂置换(溶剂置换条件如表4所示)，置换完的初级碳化产物在室温下真空干燥至质量保持不变；干燥完的初级碳化产物，在800℃进行进一步热处理，过程的升温速率为3.0℃/min，氮气流量为200ml/min，处理时间为45min。最终产物的性能参数如表4所示。

表4 最终产物性能

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种由水凝胶前体材料通过水热过程制备碳气凝胶的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、利用质量浓度为10％的稀盐酸将壳聚糖进行酸化，将得到的盐酸酸化壳聚糖和水溶性碳水化合物均溶于去离子水中，形成混合溶液；

步骤2、向混合溶液中加入聚山梨酯类非离子表面活性剂和液体石蜡，形成微乳化体系；然后加入重量为微乳化体系重量的0.1～1.5％的交联剂戊二醛，搅拌均匀后静置直至完全形成水凝胶；

步骤3、将水凝胶静置于水热反应釜中进行水热反应，水热反应温度为160～220℃，反应时间为3.0～6.0h，反应完成后自然冷却至室温，得到初级碳化产物；

步骤4、利用去离子水清洗该初级碳化产物至中性，将中性初级碳化产物的含水量控制在为50～70％范围内；控水后采用两级溶剂置换，置换完后在室温下采用真空干燥以辅助残留溶剂挥发至初级碳化产物重量保持不变；

步骤5、将干燥后的初级碳化产物做进一步热处理。

2.根据权利要求1所述的由水凝胶前体材料通过水热过程制备碳气凝胶的方法，其特征在于，在所述步骤4中，所述两级溶剂置换包括第一级溶剂置换和第二级溶剂置换；

在所述第一级溶剂置换中，第一级置换溶剂为乙醇-正丁醇体系，所述乙醇与正丁醇的体积比为4:1～1:1，第一级置换溶剂的用量为中性的初级碳化产物重量的1～8倍。

3.根据权利要求2所述的由水凝胶前体材料通过水热过程制备碳气凝胶的方法，其特征在于，在所述步骤4中，在所述第二级溶剂置换中，第二级置换溶剂为正丁醇-正己烷体系，所述正丁醇与正己烷的体积比为5:1～2:1，第二级置换溶剂的用量为中性的初级碳化产物重量的2～9倍。

4.根据权利要求1所述的由水凝胶前体材料通过水热过程制备碳气凝胶的方法，其特征在于，在所述步骤1中，在混合溶液中，盐酸酸化壳聚糖的质量浓度范围为0.2～2.5％，水溶性碳水化合物的质量浓度范围为10～30％。

5.根据权利要求1所述的由水凝胶前体材料通过水热过程制备碳气凝胶的方法，其特征在于，在所述步骤5中，所述进一步热处理过程在管式炉中进行，热处理温度为600～900℃，升温速率为1.0～5.0℃/min，热处理过程在氮气流中进行，氮气流速范围为60～600ml/min，热处理时间为15～90min。

6.根据权利要求1所述的由水凝胶前体材料通过水热过程制备碳气凝胶的方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述聚山梨酯类非离子表面活性剂的加入量为混合溶液重量的0.2～2.0％，所述液体石蜡的加入量为混合溶液重量的2～8％。

7.根据权利要求1所述的由水凝胶前体材料通过水热过程制备碳气凝胶的方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述壳聚糖为甲壳素N-脱乙酰基的产物。

8.根据权利要求1所述的由水凝胶前体材料通过水热过程制备碳气凝胶的方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述聚山梨酯类非离子表面活性剂为吐温-20、吐温-40、吐温-60或吐温-80中的一种。

9.根据权利要求1所述的由水凝胶前体材料通过水热过程制备碳气凝胶的方法，其特征在于，在所述步骤1中，所述水溶性碳水化合物为葡萄糖、木糖、蔗糖或乳糖中的一种。

10.根据权利要求1至9所述的由水凝胶前体材料通过水热过程制备碳气凝胶的方法，其特征在于，在所述步骤3中，所述水热反应釜为设有聚四氟内衬的不锈钢反应釜。

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