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随着人们环境意识的加强，水性聚氨酯取代溶剂型产品已成为一个必然的发展趋势，传统的水性聚氨酯由于分子结构的限制使其涂膜的硬度、耐水性、耐溶剂性等相关性能不足，限制了其应用范围。近年来通过改性提高其性能已成为国内外研究的热点。本论文结合水性聚氨酯的交联改性和复合改性方法，通过多种改性方法提高交联度，制得了一系列的改性水性聚氨酯(WPU)，分析了聚氨酯大分子和胶膜结构，研究了改性乳液及其胶膜的性能。
单一氨基硅氧烷改性。以异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、聚四氢呋喃二醇(PTMG1000)、二羟甲基丙酸(DMPA)、三羟甲基丙烷(TMP)等为原料合成了内交联的聚氨酯预聚体，通过3-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH550)封端聚氨酯进一步水解缩合交联，得到了高交联度的改性聚氨酯。采用傅里叶变换红外光谱、热重分析和X射线衍射对水性聚氨酯的结构进行了表征，并测试了乳胶膜的力学性能和耐介质性。实验结果表明，合成预聚体的较佳条件是：n(-NCO)：n(-OH)=1.4、w(-COOH)=1.8％、w(TMP)=1％；当w(KH550)由0增至10％，乳胶膜的拉伸强度由18MPa增至28MPa,吸水率由17％降至8％，吸乙醇率由46％降至30％以下。表征结果显示，KH550上的-NH2与聚氨酯的端-NCO发生反应，实现了化学改性；KH550使水性聚氨酯的耐热性明显提高；随w(KH550)的增大，结晶度下降。
交联改性和复合改性相结合的方法。以KH550为偶联剂，加入亲水型的纳米二氧化硅(A200)，通过溶胶-凝胶过程合成了一种水性聚氨酯/纳米二氧化硅杂化材料(WPUNS)。通过FTIR、TG、DSC、AFM、物理机械性能测试对WPUNS的结构和膜性能进行了研究，用动态激光光散射法测试了杂化乳液的粒径和粒径分布，并用TEM对乳液形貌进行了观察。红外分析表明：WPU大分子和A200之间形成了化学键，粒径和乳液形貌观察显示了PU大分子包裹A200粒子形成了复合粒子结构。当w(A200)由0增大到2％时，粒径由79.9nm增至139.9nm，膜的拉伸强度由6.32MPa增加到20.46Mpa，吸水率由28.3％降低到6.3％，硬度亦相应提高。TG分析表明，A200的加入可以提高材料的耐热性。DSC表明A200的加入使硬段Tg向高温扩展。AFM表明A200的加入使涂膜的表面光滑度增加。
多重交联改性的方法。以WPU为基体，以γ-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH550)封端改性，利用自制的N-[(1,1-二甲基-2-乙酰基)乙基]-β-二羟乙氨基丙酰胺(DDP)做为交联单体，通过外加己二酸二酰肼(ADH)使其与聚氨酯大分子上的酮羰基团进行酮肼交联反应，进行室温交联固化。经过两步的交联反应，通过多重交联法制得了一种高交联度的改性水性聚氨酯乳胶膜。红外分析证实了DDP的合成；乳液形貌观察显示KH550的加入，可以使乳液粒子的粒径增大明显，而DDP则不能直接影响乳液粒径的大小；当DDP用量为6％，KH550用量为5％时，合成的高交联度胶膜其物理机械性能为：铅笔硬度2H，摆杆硬度0.84，吸水率8％，吸乙醇率25％，附着力达到0级，抗冲击力合格，拉伸强度30Mpa，断裂伸长率为240％;TG分析表明随着DDP和KH550量的提高，胶膜的耐热性有明显改善。