水性聚氨酯具有某些缺点，比如涂膜耐水性不好，硬度不高，机械强度不高等，需要加以改性。
水性改性聚氨酯涂料中最重要的是水性聚氨酯改性丙烯酸酯树脂,将聚氨醋树脂的韧性及弹性, 与丙烯酸醋良好的保色性、光稳定性、硬度及低成本综合起来水性改性聚氨酯材料的主要进展是由原的物理混合改性发展为化学改性(称之为“原位聚合法”) ,即丙烯酸酯先作为合成聚氨酯的溶剂,待分散到水中后再作为反应单体聚合。这样能够更好地提高改性材料的性能。目前将聚氨酯、聚丙烯酸进行共聚改性也是较为常用的改性方法。此外,在改性材料的种类上还有用聚氨酯改性环氧树脂、改性聚醚以及改性醇酸树脂等。环氧树脂是一类具有良好粘接性、腐蚀、绝缘及改性的强度的热固性高分子合成材料。
水性聚氨酯改性的主要方法有：
（1）有机硅改性
有机硅化合物分子结构中含有元素硅，是属于有机、半无机结构的高分子化合物,它们兼具有机合物和无机化合物的特性。用有机硅改性聚氨酯以弥补水性聚氨酯耐水解性稍差的缺陷，使改性水性聚氨酯涂料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等。有机硅改性聚氨酯可以通过物理共混来进行，例如，利用水性聚氨酯和聚硅氧烷乳液进行物理共混改性。因此，有机硅改性聚氨酯最常用的方法是共聚改性。通过两端带有反应性官能团的聚硅氧烷低聚物(最常见的是聚二甲基硅氧烷PDMS，或部分甲基被取代后所得聚硅氧烷)与多异氰酸酯经逐步加成，聚合而制得嵌段共聚物。
（2）环氧树脂改性
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，使之形成部分网状结构而性能更为优异。通过环氧树脂和聚氨酯的接枝反应，制得环氧改性聚氨酯乳液，用其配制水性环氧改性聚氨酯涂料，可以提高化学稳定性、耐腐蚀性和漆膜附着力。
（3）丙烯酸酯改性
丙烯酸酯与其他合成高分子树脂相比，具有许多突出的优点。将丙烯酸和聚氨酯两类聚合物在微观状态下制备得到的丙烯酸聚氨酯杂合水分散体，
可以获得优势互补性能。水性聚氨酯/丙烯酸酯复合乳液可以将聚氨酯较高的拉伸强度和抗冲强度、优异的耐磨性与丙烯酸酯树脂良好的附着力、耐候性，较低的成本有机结合，制备出高固含量、低成本以及达到使用要求的水性树脂。
（4）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。
（5）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涂料可以进一步体现环保意识，用植物油合成的常温交联水性聚氨酯树脂涂料不仅具有较好的耐候性,同时还具有水性涂料无污染的优点,是一种环境友好型涂料,既可作为水性内外墙涂料,也可作为木器装饰涂料及织物印染涂料。 以气干性植物油为基本原料,对其进行改性处理后将其植入半封端的PU分子链中,制得自乳化型单组分水性PU，该产品乳液稳定性好,漆膜力学性能优良。采用亚麻油与二乙醇胺经胺解反应生成亚麻油酰二乙醇胺中间体,以此中间体合成的水性PU涂料耐水、快干、强附着,无毒不燃、黏稠易控，是一种优良的环境友好型水性涂料。
（6）有机氟改性
用巯基乙醇作为链转移剂，经自由基溶液聚合,合成端羟基含氟的丙烯酸酯类的端羟基大分子单体,进一步把端羟基含氟的丙烯酸酯类聚合物接到聚氨酯链段上，合成了含氟的水性聚氨酯分散体，测试结果表明，合成的含氟水性聚氨酯分散体的膜的表面氟形成富集。
