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水玻璃是众多粘结剂中最有发展前景的无公害、环保型无机粘结剂,具有耐高温、原料来源广泛等优势。利用其制备的水玻璃砂可以应用到生产各种铸件上,铸件质量、精度能表现出优越的性能。然而,水玻璃存在经长时间的放置后粘结效果下降,水玻璃砂的强度得不到保障、溃散性差等问题使其应用受限,本文将通过对水玻璃（砂）进行改性以解决这些问题。选用酯硬化水玻璃砂工艺（陶瓷砂、水玻璃和有机酯固化剂的质量比为1000:30:3）。首先,以磷酸氢二钠、短羧基多碳纳米管结合物理方式超声对水玻璃进行改性处理,研究此种改性方式对水玻璃砂性能的影响;其次,研究单一的微硅粉以及多种粉末促硬剂微硅粉、羧甲基纤维素钠、钠基膨润土复合作为改性剂对水玻璃砂性能的影响;然后,研究三种有机改性剂聚乙二醇200、N,N二甲基乙酰胺以及硅烷偶联剂KH-550对水玻璃砂性能的影响;采用SEM、EDS、XRD、DSC以及FTIR等表征方法分析改性剂对水玻璃砂性能的影响机理。实验结果表明,当磷酸氢二钠、短羧基多碳纳米管的加入量分别为占水玻璃加入量的0.2%、0.04%以及超声时间为10min时,砂样1h强度为0.142MPa,4h强度为0.381MPa,24h强度为0.781MPa,800°C残留强度为2.786MPa。相比于未改性砂样,改性后的砂样1h强度、4h强度、24h强度分别提高34%、33%、30%,800°C残留强度降低14%,改性剂结合物理超声方式对水玻璃砂综合性能起到了一定的改善效果。在850°C高温加热状态下,砂样发气量在10-16s期间达到最大值6ml/g;发气速度在4s时达到最大值1.9ml/g/s,能够满足铸造要求;改性后的24h强度砂样的粘结桥表面较光滑,砂粒-粘结剂-砂粒组成的结构较为密实。在磷酸氢二钠、短羧基多碳纳米管和超声对水玻璃改性的基础上,当单一的微硅粉加入量为占陶瓷砂的0.55%时,对水玻璃砂性能的改性效果最好。同时,在单一实验的基础上,当微硅粉、羧甲基纤维素钠、钠基膨润土加入量分别为占陶瓷砂加入量的0.55%、0.02%、0.3%时,改性后的砂样常温强度、800°C残留强度均优于由单一试验改性后的砂样以及未改性的砂样性能。改性剂能够填充在砂粒间的细小缝隙中以及包覆在砂粒的外表面,使得砂样整体结构十分密实,从而强化试样的24h强度;在高温加热状态下,改性剂的存在使得试样粘结桥的连续性遭到破坏,从而对残留强度起到改善效果。在上述已改性实验的基础上,进一步往水玻璃中加入1%的聚乙二醇200、0.6%的N,N二甲基乙酰胺、0.2%的硅烷偶联剂KH-550后,砂样1h强度达到0.302MPa,4h强度达到0.689MPa,24h强度达到1.278Mpa,800°C残留强度达到0.818MPa。有机改性剂可以借助氢键吸附在凝胶胶粒的外表面形成保护层,阻止凝胶胶粒聚集长大,从而达到强化水玻璃性能的目的;有机改性剂在加热过程中会使水玻璃体系中挥发气体,使得粘结桥的连续性遭到破坏,从而改善砂样的溃散性。最优方案:磷酸氢二钠、短羧基多碳纳米管的加入量为占水玻璃加入量的0.2%、0.04%,超声时间设定为10min;微硅粉、羧甲基纤维素钠、钠基膨润土加入量分别为占陶瓷砂加入量的0.55%、0.02%、0.3%;聚乙二醇200、N,N二甲基乙酰胺、硅烷偶联剂KH-550的加入量为占水玻璃加入量的1%,0.6%,0.2%。