水性聚氨酯的性能取决于其物理化学结构。水性聚氨酯由软段和硬段嵌段而组成，其主链一般由低聚物多元醇(如聚醚和聚酯)和二异氰酸酯以及小分子扩链剂等聚合而成。低聚物多元醇构成聚氨酯的软段，使链节具有柔顺性；而异氰酸酯和小分子扩链剂等则构成聚氨酯的硬段，使聚合物链节具有刚性。
由聚醚和聚酯构成的链段相互作用力温和，而由脲基和氨基甲酸酯基产生的分子之间的作用力很大。硬段部分对聚氨酯的性能贡献较大，硬段含量高通常使硬度增加、弹性降低，且一般聚氨酯的内聚力和粘接力也得到提高，但若硬段含量太高，由于极性基团太多，会约束聚合物链段的活动和扩散能力，会降低粘接力。软段的结晶性对最终聚氨酯的机械强度和模量有较大的影响，特别在受到拉伸时， 由于应力而产生的结晶化(链段规整化)程度越大，抗拉强度越大。由于酯基易水解，因此聚酯型聚氯酯耐水解性远低于聚醚型聚氨酯 。
水性聚氨酯具有三大特点：因其连续相为水，故安全，易保管和贮存，使用方便：成本低；较完整地保留了溶剂型聚氨酯的特性，特别是交联型聚氨酯乳液。但聚氨酯水分散液型产品的缺点有：以蒸发潜热高的水为介质引起的干燥速度慢，对非极性基材润湿性差，因以线型分子为主而引起的耐热性不够等。近年来的研究开发已使影响水性聚氨酯应用的固含量、结晶度、热活化性及与交联剂的混合性难点，在不同程度上得到改善。
具体方法有：(1)提高水性聚氨酯的质量分数，如果将固含量提高45％ 以上，在40～60 ℃的干燥温度下其干燥速度可与普通溶剂型聚氨酯树脂室温下的干燥速度相近，但固含量提高会导致性能不稳定：(2)采用交联(外交联、次级交联及内交联)提高耐水、耐热性：(3)采用与其他树脂共混技术， 降低成本：将水性聚氨酯与其他廉价的水性高分子配合作用，可制成高性能、低成本的水性聚氨酯，这是降低水性聚氨酯成本的重要途径之一： (4)提高初粘性，如采用引入环氧树脂的方法。(5)提高稳定性：在保持水性聚氨酯耐水性的同时，提高水性聚氨酯的贮存稳定性是目前国外水性聚氨酯研究的重要方向。研究者从乳液的形态学着手研究，以解决粒径、黏度、贮存性与性能之间的矛盾。研究工作主要采用交联改性、共混改性、共聚改性、有机硅改性、氟改性等 。
水性聚氨酯改性技术
利用其他高分子材料对水性聚氨酯进行改性，可改善水性聚氨酯的耐水性、耐化学品性和耐候性等，从而提高水性聚氨酯的综合性能，扩大应用范围，因此改性水性聚氨酯的研究近年来一直为许多研究学者所热衷，随着研究的不断深入，改性方法也日新月异。目前，改性方法大致可分为4种：(1)改进单体和合成工艺；(2)添加助剂；(3)实施交联；(4)优化复合。其中以优化复合最为引人注目，根据改性剂不同，水性聚氨酯乳液的优化复合改性主要有：环氧树脂改性、聚硅氧烷改性、丙烯酸改性、纳米材料复合改性等。
4.1环氧树脂改性
环氧树脂具有许多优良的性能，如易固化、机械强度高、粘附力强、成型收缩率低、化学稳定性好、电绝缘性好，还具备高模量、高强度和热稳定性好等特点。但同时也具有韧性差，抗冲击强度低，固化后质脆等突出缺点。环氧树脂具有仲羟基和环氧基，可以和异氰酸酯反应。配用适量的环氧树脂改性，可使水性聚氨酯的力学性能、粘接强度、耐水、耐溶剂等性能都会得到提高。另外，环氧树脂为多羟基化合物，在与聚氨酯反应中可以将支化点引入聚氨酯主链，使之形成网状结构而性能更为优异。
环氧改性水性聚氨酯的制备方式主要有3种，即机械共混法、共聚法和环氧开环法。共混法一般是先合成聚氨酯预聚体，再将适量的环氧树脂均匀分散在预聚体中，然后对混有环氧树脂的预聚体进行乳化，最终得到环氧树脂改性的水性聚氯酯乳液。机械共混法制得的环氧树脂改性水性聚氨酯乳液中，环氧树脂与聚氨酯之间没有化学键的结合，环氧树脂不具亲水性，而聚氨酯链中的羧基及聚醚链段对水具有亲和性，当两者在水中乳化时，环氧树脂被包覆在聚氨酯链中，有可能会形成一定的核一壳结构。共聚法主要是利用环氧树脂链两端的环氧基优先与聚氨酯预聚体进行共聚反应，其次是环氧树脂分子上的羟基参与其反应制成预聚体，再乳化于水。开环法为交联反应，环氧用起始剂开环后形成端羟基化合物，该端羟基化合物作为聚氨酯预聚体的一种多元醇组分，与二异氰酸酯反应，接入水性聚氨酯预聚体中。
4.2有机硅改性
有机硅分子中同时存在亲有机和亲无机的两种功能团，这种特殊的组成和分子结构使其集有机物的特性与无机物的功能于一身，具有耐高低温性、耐气候老化、电绝缘、耐臭氧、憎水、难燃、生理惰性等许多优异性能。有的品种还具有耐油、耐溶剂、耐辐射的性能。有机硅聚合物最显著的特点是耐氧化性和低表面能，即耐候性好并能产生优良的疏水性。用有机硅改性可以弥补水性聚氨酯耐水解性稍差的缺陷，使改性水性聚氨酯表现出良好的憎水性、表面富集性、低温柔顺性和优良的生物相容性。有机硅改性水性聚氨酯主要有共混改性和共聚改性两种方法。前者通过水性聚氨酯和聚硅氧烷乳液物理共混来实现。聚氯酯可以改善聚硅氧烷乳液的耐油性，而聚硅氧烷乳液可以改善水性聚氨酯的耐水和耐溶剂性能，两者共混以取长补短。但由于乳化剂的存在，共混改性对最终成膜的性能有负面影响，如硅油易迁移等。共聚改性是有机硅改性水性聚氨酯最常用的方法，通过两端带有反应性官能团的聚硅氧烷低聚物(如羟基硅油、氨基硅油、氨基或烷氧基封端的硅烷偶联剂等)与多异氰酸酯经逐步加成、聚合而制得嵌段共聚物。共聚改性主要有合成与扩链2种方法：合成法是在合成预聚体过程中将羟基硅油或氨基硅油引入聚氨酯链段中，羟基硅油的反应活性适中，合成过程反应平稳，比氨基硅油好控制；扩链法是指在预聚体乳化的过程中引入氨基硅油扩链。
4.3 丙烯酸酯改性
丙烯酸酯改性水性聚氨酯是20世纪80年代开发的技术，是水性聚氨酯改性中最常用技术手段。丙烯酸酯具有优异的耐光性、户外曝晒耐久性和较好的颜料分散性，且成本较低。用丙烯酸酯对水性聚氨酯复合改性，可以弥补单一聚氨酯水分解体自增稠性差、固含量低、乳胶膜的耐水性及光泽性较差的缺陷，同时掩盖了单一丙烯酸水分散体热粘冷脆、柔韧性差、不耐溶剂的缺点，从而制备出具高固含量、低成本、耐磨等两类体系优势互补性能的水性树脂。用丙烯酸酯改性水性聚氨酯大致有物理共混改性和合成共聚乳液2种方法。早期采用的简单物理共混，存在相容性差的问题，后有引入化学交联的改进方法，虽一定程度提高了相容性，但两者仍存在明显的相区，导致其物理、力学性能和稳定性均不佳。共聚乳液的制备方法主要有以下几种：(1)聚氨酯乳液和丙烯酸酯乳液共混，外加交联剂，形成聚氨酯一丙烯酸酯共混复合乳液；(2)先合成聚氨酯．聚合物乳液，以此为种子乳液再进行丙烯酸酯乳液聚合，形成具有核一壳结构的聚氨酯丙烯酸酯复合乳液；(3)2种乳液以分子线度互相渗透，然后进行反应，形成高分子互穿网络的聚氨酯丙烯酸酯复合乳液：(4)合成带C— C双键的不饱和氨基甲酸酯单体，然后将该大单体和其它丙烯酸酯单体进行乳液共聚，得到聚氨酯丙烯酸酯共聚乳液。
4.4 多元改性
根据不同用途的要求，将多种树脂与水性聚氨酯的特性有机地结合在一起，发挥其协同作用的优势。如有机硅丙烯酸酯双改性水性聚氨酯，可综合丙烯酸酯、聚氨酯、有机硅3种树脂材料的优点。产品可以做成有皂或无皂乳液，用作纺织品的涂层剂和皮革涂饰剂。有机硅丙烯酸酯双改性水性聚氨酯合成方法主要有两种，一种是先合成适量丙烯酸羟乙酯或丙烯酸羟丙酯封端的聚氨酯预聚体，再在乳化后的水性聚氨酯中加入引发剂、丙烯酸酯类单体、硅氧烷偶联剂的混合物，即制得有机硅丙烯酸酯双改性的水性聚氨酯。另一种是先合成含硅聚氨酯预聚体，再加入丙烯酸酯类单体共混后在水中乳化，得到含溶胀丙烯酸酯单体的硅改性聚氯酯水分散体，然后向上述含溶胀丙烯酸酯单体的硅改性聚氯酯水分散体中，滴加引发剂进行乳液聚合，得有机硅改性丙烯酸聚氨酯乳液。
另外，还有采用丙烯酸酯一醇酸树脂双改性水性聚氨酯，产品兼具三种树脂的优点，具有很好的户外耐光性、流动性以及耐刮伤性能。环氧一有机硅双改性， 制得的聚硅氧烷一聚氨酯一环氧三元共聚物具有很好的拉伸强度、疏水性能以及较低的表面张力。
4.5纳米材料改性
纳米材料具有表面效应、小尺寸效应、光学效应、量子尺寸效应、宏观量子尺寸效应等特殊性质，可以使材料获得新的功能。纳米复合材料的制备方法主要有：溶胶一凝胶法、原位聚合法、共混法、插层法、辐射合成法、自组装技术制备法等 。其中用溶胶一凝胶法制备纳米复合材料一般分为两步：硅(或金属)烷氧基化合物的水解，生成溶胶；②水解后的化合物与聚合物共缩聚，形成凝胶。原位聚合又称就地聚合，在柔性聚合物或其单体中混有刚性聚合物单体后，再就地聚合．生成的刚性聚合物分子均匀地分散在聚合物基体上而形成原位分子复合材料。在共混法中，由于纳米粒子极易团聚，因此要选择合适的工艺条件才能使纳米粒子稳定地分散在基料中。插层方法分为聚合物熔融插层、聚合物溶液插层和单体插层原位聚合三种。插层法只适合蒙脱土一类的层状无机材料。由于共混法中纳米粒子与聚合物的混合可以分步进行，且纳米粒子的形态尺寸易控制，与其他几种方法相比，工艺更为简单，所以在工业生产中主要还是采用共混法来获得纳米改性水性聚氨酯复合材料 。
目前，引入到水性聚氨酯体系的纳米粒子主要有纳米SiO2 、纳米AI2 O3、纳米ZnO纳米TiO2 、纳米氧化锡锑(ATO)、纳米CeO2 、纳米CaCO3。等。如涂料中通过加入这些纳米粒子，可以提高涂膜的硬度、耐刷洗性、光学透明性等性能。
4.6植物油改性
植物油是一种可再生资源，用植物油制备水性聚氨酯可以进一步体现环保意识，常用的有蓖麻油和亚麻油等。其中，蓖麻油价格低廉，来源丰富，无毒，其组成主要为高级脂肪酸的甘油三酸酯，这种结构提供了它在聚氨酯中应用的基础，三官能度蓖麻油可作为交联剂，可以与其它交联剂按一定比例使用。二官能度蓖麻油可用于代替部分聚醚或扩链剂。除含有羟基外，蓖麻油还含有不饱和碳碳双键，在用丙烯酸改性的水性聚氨酯分散体中，这些不饱和双键可以提供聚氨酯与丙烯酸酯单体共聚反应的接枝活性点，残留的碳碳双键可通过氧化交联，提高聚合物的交联密度。用蓖麻油改性水性聚氨酯分散体，一般的方法是将蓖麻油代替部分聚醚二元醇，使聚醚二元醇与蓖麻油以一定的比例加入。加入蓖麻油后，可提高漆膜的耐水性、机械性能及耐化学品性。
4.7有机氟改性
由于氟原子半径小，电负性强，碳氟键键能高，在聚合物分子主链上引入全氟烷基侧链制备的含氟聚合物乳液，其乳胶膜在保持原有的本体特性基础上，具备了突出的表面性能。由于含氟侧链取向朝外并且定向排列，对主链和内部分子可形成屏蔽保护，有效提高了聚合物涂层的的低表面能性、润滑性、耐化学品性以及疏水疏油、抗沾污性和良好的生物相容性。因此含氟单体的引入可大幅度改善水性聚氨酯乳胶膜的表面性能，如将含羟基的氟树脂与作为另一固化剂组分的多异氰酸酯配成含氟的聚氨酯涂料，可常温交联。作为功能基团的含氟共聚物，通过多异氰酸酯常温交联固化，它具有氟树脂优异的化学性能，又具有通用涂料的涂装性能而被广泛应用。在涂料、胶粘剂、纺织工业和皮革工业等行业可获得广泛的应用。
水性聚氨酯改性的目的是为了改善树脂本身性能上的一些不足或者提高树脂的综合性能，以扩大其使用范围。水性聚氨酯的生产和应用已得到迅速的发展，其品种和产量日益增多，质量不断提高，对水性聚氨酯的研究更是日新月异，新的改性技术不断发展，改性技术日益完善。
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