通过在聚氨酯分子链上引入其他化学组分进行改性，能获得比物理共混更佳的性能效果，是当前水性聚氨酯开发的方向。
常用的改性方法介绍如下：
（一）环氧树脂改性
环氧树脂具有许多优良的性能,如种类多、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、高模量、高强度等特点。通过环氧树脂和聚氨酯接枝反应，可将支化点引入聚氨酯主链，使之形成部分网状结构，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，可以提高力学性能、耐热性能和漆膜附着力。郑淑琴等合成了环氧树脂E-44改性的水性聚氨酯乳液外观和稳定性较好,且耐水性和耐热性都得 到较大改善。
（二）有机硅改性
有机硅聚合物的两个最显著的特点是耐氧化性和低的表面能。用有机硅改性聚氨酯可以综合二者的优异性能，弥补水性聚氨酯耐水解性稍差的缺陷，使改性的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。李密转等通过在封端型水性聚氨酯中引入有机硅单体，合成了有机硅水性聚氨酯，其吸水性能为17.1% 左右，耐水性得到很大提高。
（三）聚丙烯酸酯改性
聚氨酯乳液和聚丙烯酸乳液同其溶剂型产品相比，具有价廉、安全、不燃、无毒、不污染环境等优点。纯PA乳液存在耐磨性、耐水性和耐化学品性差的缺陷；单一的PU乳液也存在一些不足，如稳定性、自增稠性和膜的保光性，应用受到限制。而PUA复合乳液兼备二者的优点，具有耐磨、耐腐蚀和光亮，柔软有弹性、耐水性和机械力学性能好，耐候性佳等特性，因此被誉为“第三代水性聚氨酯”，成为当今涂料的一个发展趋势。
（四）有机硅- 丙烯酸酯双改性水性聚氨酯
将聚氨酯- 丙烯酸酯- 有机硅氧烷三元结合起来，制备水性涂料，它综合了丙烯酸酯、聚氨酯、有机硅三种树脂材料的优点，而且以水作分散介质符合了环保的要求。三者有机地结合在一起,根据不同用途的要求、发挥其协同作用的优势, 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。王海虹等采用乳液聚合的方法，制备了具有核- 壳型结构的有机硅改性丙烯酸聚氨酯乳液，结果表明，经有机硅改性的丙烯酸聚氨酯乳液，在附着力、稳定性、硬度、光泽等方面有显著上升。
（五）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、量子尺寸效应等特殊性质，可以使材料获得新的功能。建筑外墙涂料中添加适量纳米SiO2，可将乳胶漆的耐候性提高到一个新的等级，同时还使耐老化性能有很大的提高。实际应用表明，在建筑内外墙涂料中添加少量的纳米SiO2后，涂料抗紫外线防老化试验性能可由原来的250h提高到600h以上，耐擦洗提高十倍以上，干燥时间大幅度降低，而且原料存在的悬浮性稳定性差、触变性差、光洁度不高等问题也得到很好的解决。Hsu-ChiangKuan 等[13]合成了一种纳米碳管/ 水性聚氨酯纳米复合材料，这种水性聚氨酯乳液储存稳定，胶膜的热稳定性提高了26℃，拉伸强度提高了370%，拉伸模量提高了170.6%。
（六）植物油改性水性聚氨酯
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，周应萍等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侯性,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。邱维等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。
