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水性聚氨酯(WPU)以其无污染、相容性好且易操作加工等优点而广泛应用于轻纺、皮革及涂料等诸多领域。但由于分子链多为线性结构,使其力学性能、热稳定性等较差。利用纳米二氧化硅(SiO2)的优异特性对WPU进行改性可以有效改善WPU的综合性能。然而,WPU/SiO2纳米复合材料的优异性能不仅取决于两组分的性能,还取决于两相间的界面结构和界面作用。因此,研究复合材料的界面作用对其性能的优化设计具有重要的科学意义。本论文分别合成了 WPU和多种改性纳米SiO2,使SiO2与WPU之间分别产生了静电相互作用、氢键、离子键和共价键。利用现代仪器分析方法研究了复合材料的微观结构和力学性能,并通过分子动力学模拟计算了复合材料的界面参数,研究了具有不同相互作用的WPU/SiO2纳米复合材料界面微观结构与性能之间的构-效关系。最后,将具有不同相互作用的WPU/SiO2纳米复合乳液应用在皮革涂饰中。基于以上研究,获得了如下结果:(1)采用溶胶-凝胶法,以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为表面活性剂模板,正硅酸乙酯(TEOS)为硅源,氢氧化钠(NaOH)为碱性催化剂,成功制备了粒径约90～110 nm的纳米SiO2。探索了最优的制备工艺并提出了纳米SiO2的生成机理。采用预聚体分散法,以异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)为异氰酸酯单体,聚丙二醇(PPG1000)为低聚物二元醇,2,2-二羟甲基丁酸(DMBA)为亲水性扩链剂,成功制备了 WPU乳液。乳液外观半透明泛蓝光,粒径较小且分布均一,具有良好的稳定性。(2)通过物理共混法分别将表面带负电的SiO2(SiO2(-))和表面带正电的SiO2(SiO2(+)引入WPU乳液中,制备了具有静电相互作用的WPU/SiO2纳米复合薄膜。当WPU和SiO2(-)之间存在静电斥力时,两相间的界面作用较弱,复合薄膜的断面会出现“孔洞”结构,影响两相之间的连续性,导致复合薄膜力学性能降低。当WPU与SiO2(+)之间存在静电引力时,两相间的界面作用较强,且两相之间连续性较好,增强了复合薄膜的力学性能。(3)分别将盐酸酸化和3-巯丙基三甲氧基硅烷(TMMPS)改性后表面具有不同-OH和-SH含量的改性纳米SiO2(-)和改性纳米SiO2(+)引入到WPU乳液中,制备了同时具有氢键和静电斥力以及氢键和静电引力的WPU/SiO2纳米复合薄膜。当WPU和SiO2之间同时存在氢键和静电相互作用时,复合薄膜的微观结构和抗张强度主要受静电相互作用影响,而断裂伸长率则主要受氢键作用影响。(4)通过在制备WPU的中和反应阶段引入γ-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)改性后的纳米SiO2,获得了具有离子键作用的WPU/SiO2纳米复合薄膜。APTES改性可以有效改善纳米SiO2的水分散稳定性,并有效提高复合薄膜的力学性能。(5)通过在制备WPU的预聚反应阶段引入盐酸酸化和APTES改性后的纳米SiO2,获得了具有共价键作用的WPU/SiO2纳米复合薄膜。纳米粒子和复合薄膜的微观结构与力学性能的测试结果表明,即使纳米粒子在聚合物基体中严重团聚,也可以有效增强复合薄膜的力学性能,且增强趋势与复合材料的界面强度变化一致。(6)对比具有不同相互作用的WPU/SiO2纳米复合材料的力学性能和界面结合强度,发现四种相互作用对力学性能和界面结合强度的影响程度大小依次均为:共价键>离子键>静电引力>氢键。表明分子动力学模拟与仪器分析测试的结果一致性较好,并且复合材料的力学性能与界面结合强度密切相关。最后,将具有不同相互作用的WPU/SiO2纳米复合乳液应用于皮革涂饰中,相比于纯的WPU乳液,WPU/SiO2纳米复合乳液涂饰后革样的强度更高且不易变形,有效提高了革制品的应用性能。