在环保标准日益严格的今天，绿色产品的开发已经成为热门，作为传统产业的铸造业，也把更多的眼光投向了自身环保型粘结材料——水玻璃粘结剂，但是水玻璃砂的几个突出的问题（例如溃散性差、容易吸湿等）成为了制约水玻璃粘结剂发展的桎梏。可喜的是，在众多研究者的共同努力下，影响水玻璃性能的许多原因已被揭示。通过控制水玻璃的加入量，使之低于4％，可以很好地解决水玻璃砂溃散性的问题；而加入一些抗湿的离子，则有望解决水玻璃砂易吸湿的问题。
基于上述原则，作者首次进行了用接近于纳米尺度的超细粉末材料来改善水玻璃的高温溃散性的尝试。通常，纳米材料是指材料两相显微结构中至少有一相的一维尺度达到纳米级别的材料，纳米粒子相是由数目很少的原子或分子组成的聚集体，粒子直径小于100nm。由于纳米粒子在磁、光、化学、催化等许多方面呈现出各种各样的优异特性，世界各国先后对这种材料给予了极大的关注，并迅速展开此方面的研究与开发[5]。纳米材料自身具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面和界面效应及宏观量子隧道效应，物质的很多性能将发生质变，从而呈现出既不同于宏观物体，又不同于单个独立原子的奇异现象，声、电、光、磁、热、力学等物理性能有很大变化。
笔者试图借助纳米超细材料的小尺寸效应来改进水玻璃粘结剂的性能。小尺寸效应是指纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等都较普通粒子发生了很大变化。纳米粒子的小尺寸效应主要表现在两个方面：一是随着粒径的减小，纳米粒子的表面能特别是表面结合能迅速增大，因而引起熔点降低；二是由于表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性，因而随着纳米粒子中表面原子数的增加而出现活性表面。
1.试样的制备及测试方法
原砂是岳阳兴塔牌擦洗砂（70/100筛号），做成直径为30mm、高为30mm的圆柱体试样。采用经特殊处理的粉末材料（含有一定量的超细纳米级颗粒，但是达不到全部是纳米级）对普通水玻璃进行溶入改性。普通水玻璃采用本实验室自制的模数为2.2~2.3、浓度为 ~50 OBe的纯净水玻璃。采用有机酯作为水玻璃砂的固化剂，有机酯的加入量为原砂的0.3%、水玻璃的加入量是原砂的3%。制样后存放规定时间后，用杠杆式功能较多强度试验仪测试常温抗拉强度、残留强度。试样存放24h后测定常温抗拉强度；将试样在800℃下焙烧1h，随炉冷却至室温后，测试其残留强度。
适应于水玻璃改性的超细粉末材料是有特殊要求的，这些物质不仅要能溶解在碱性的水玻璃溶液中或者借助分散剂可以悬浮在水玻璃溶液内，而且还要达到水玻璃改性的目的。事实上溶解在水玻璃溶液中的物质非常少，大多是借助分散剂扩散在溶液中的。为了满足上述条件，我们初选了三种粉末材料经超细处理，作为水玻璃的改性剂。为了提高粉末材料在水玻璃粘结剂中的溶解性及分散性，在加入粉末材料的同时加入了一定量的分散剂，做了多组试验，以对比测试由不同改性水玻璃所获得的常温强度、高温残留强度、混匀性等。
2.试验方式、试验结果和分析
2.1不同超细粉对强度的影响
采用三种超细粉（超细粉A、超细粉B、超细粉C）作为改性粉末，采用三种试剂（试剂a、试剂b、试剂c）作分散剂，试验材料的配比为：超细粉10g、分散剂1g、普通水玻璃200g（模数为2.3、浓度为50 OBe），初选的试验结果如表1所示，试验条件是温度29℃、相对湿度94％。
由下表1中可知，在加入5.5%的改性超细粉末材料后，改性水玻璃的溃散性都有很好的结果（残留强度很低），但常温的24h强度也有不同程度的下降，改性水玻璃的均匀相差较大。混匀性最好的前三位依次为：试验7、试验4、试验1；24h强度最大的前三位依次是：试验7、试验2、试验6；残留强度最低的前三位依次是：试验1、试验6、试验5。综合性能好的应为（以温度强度、混匀性为首要测试指标）：试验2、5、6、7。分析这四组试验结果可以看出四组砂型都具有很好的溃散性，较好的混匀性，他们的常温粘结强度降低可能是由于粉末材料的加入量过大所至。为此，我们进行了粉末材料加入量变化的试验。在试验中结果记录中，试验号记为Xy，X表示对应表1中的第2、5、6、7号试验，y表示与初选试验作为第一次试验对应的1、2、3、4次试验。
表1. 超细粉末、分散剂对水玻璃的粘结强度、残留强度和均匀性的影响
2.2 超细粉加入量对强度的影响
不同超细粉材料加入量对改性水玻璃性能的影响见表2所示，试验条件是温度27℃、相对湿度92％，其中上标为1粉末材料的加入量都是5.5％，上标为2的加入量为3％，上标为3的加入量为2％，上标为4的加入量为1％。结果显示，随着粉末材料加入量的降低，改性水玻璃的24h常温强度和表1相比有显著提高，改性水玻璃的常温强度增大率都比较大，残留强度的升高了很多，但是与未改性相比还是降低了不少。可以看出改性效果优秀的试验序号是23，与不改性普通水玻璃相比，24h强度提高了30.7%、残留强度降低了40.1%。因此，所选用的超细粉末材料都是改善水玻璃溃散性的优秀改性剂，其中B的效果优秀。
表2 超细粉加入量对改性水玻璃性能的影响
如上表2所示，2号实验的几组试样24h常温强度比较高，残留强度也比较适中，进一步研究发现，第2号试样的外加物加入量和24h常温强度的关系是24h常温强度随加入量的增大是先升高后降低的，残留强度也是先升高后降低的，通过图1可以看出两条曲线是一致的。综合两个指标可以初步认为，含有超细粉的外加物加入量在2％左右为最好。改性剂加入量不适当对强度有很大的影响，其原因可能是：加入量太大，改变了水玻璃的硬化体制，得不到高强度，加入量过低，则又起不到改性的作用。详细深入的原因，将由对水玻璃粘结剂膜的微观分析而获得。
图1 第2号试样常温强度、残留强度和加入量的关系图
2.3 分散剂对强度的影响
在试验中添加了一些非超细粉的物质，由于能够起到增加超细粉的分散作用，我们把他们称为分散剂，作为外加物的组成部分，它对强度也必然会有影响。选取试验效果比较好的超细粉B，测试其不同分散剂加入量条件下的强度，结果如表3示，试验条件是温度25℃、相对湿度86％。
表3 添加分散剂的对比结果
在上边两组对比试验中，添加具有分散作用的试剂a不仅对超细粉B在水玻璃中的分散状况有影响，而且对强度也有一定的提高，可以看出加了分散剂的超细粉，强度提高的幅度都很大。可以这样认为，正是因为提高了超细粉的分散情况，才改善了水玻璃的内部结构，才使强度得到提高的。
3 结果及讨论
一般的粉体材料改性水玻璃，只能部分溶解，静置后都会有很多沉淀物，达不到改性的目的。用超细粉作为悬浮剂，因为超细粉接近纳米粉，具有小尺寸效应，它会和水玻璃有很强的粘结能力，这样沉淀就会减少很多。同时，选用的超细材料B本身有一定的水溶性，能吸水膨胀性，而且有一定的吸附性和阳离子交换能力，是具有超细通道结构的材料，当它们加入到水玻璃里面的时候，由于材料非常细小，化学活性很大，而且材料本身具有的层状结构能够细化硬化后的胶粒，故而可以提高水玻璃的24h粘结强度；经过800℃焙烧一小时后，超细物质B能够和水玻璃生成和玻璃体膨胀率不一致的物质，能够撕裂玻璃体，降低砂型的残留强度，这样就会使溃散性加强，具体的验证试验会在以后的深入研究中提及的。
超细粉末（或纳米）材料改性水玻璃是一种比较先进的改性水玻璃的方法，它具有改性剂加入量少、成本低、效果好等优点，能将新型的纳米超细粉技术与传统的水玻璃工艺及材料技术相结合，获得强度很高、溃散性比较好的水玻璃砂铸型，有望彻底解决水玻璃旧砂的落砂清理及再生回用难题。目前试验的改性水玻璃砂出现的残留强度偏高、常温强度略低等现象，主要是因为试验的超细材料含有的纳米级别的成分比较低，纯度不是很高，影响了材料的细度和分散，今后研究的重点是制备性能优良的超细材料。可以预测，真正意义上的纳米粉末材料改性水玻璃，有望使水玻璃的性能产生飞越，这是一个值得仔细深入研究的问题。
从已进行的试验测试结果可以看出，超细粉末改性水玻璃的优点是，常温强度比较高、溃散性的问题基本可以解决，选用超细粉B和试剂a，在外加物加入量为2％的时候，24h温强度可以达到2.00MPa，残留强度只有0.88MPa。与不改性普通水玻璃相比（24h常温强度可以达到1.57MPa，残留强度1.47MPa），其24h强度提高了30.7%、残留强度降低了40.1%，超细粉末改性水玻璃的效果非常明显。(e-works)
