多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)是一种具有笼型结构的无机／有机杂化分子。POSS因独特的纳米增强效应、量子尺寸效应、量子隧道效应、特殊的表面与界面效应及完美的相容性、加工性,使其以分子水平或纳米级聚集体较好的分散于聚合物基体中,能有效地提高材料的热性能,力学性能,表面性能等。因此,POSS在材料领域具有诱人的发展前景,研究POSS的合成及其在材料领域的应用具有十分重要的学术意义和应用价值。水性聚氨酯(PU)以水为分散介质具有绿色环保、健康安全等优点,但因此也带来诸多不利的因素：如强度低、耐热性、耐溶剂性和耐水性不佳等,使其在部分领域的应用受到了限制。POSS改性PU则是提高水性PU性能的一种理想选择。POSS能与PU形成真正意义上的分子级融合,提高PU的强度、耐热性、耐溶剂性和耐水性等性能。然而,目前文献中所报道的POSS能够用于水性环境的比较少,数量、种类相对有限,限制了POSS在水性PU领域的应用和发展。但是鉴于POSS改性水性PU具有优异的性能,这方面的研究一直是人们关注的焦点。本论文讲述了POSS的发展历程、制备方法及其在聚合物材料领域,特别是水性PU领域的应用研究。论文的框架结构可分为三部分：第一部分为绪论,第二部分为POSS的合成,第三部分为POSS在PU领域中的应用研究。具体以五章节展开：第一章是前言。描述了POSS的发展和应用等,并详述了目前POSS合成的研究现状,对许多POSS化合物的制备进行了归纳总结。第二章是七聚笼型倍半硅氧烷的合成。分别以氢氧化钠和氢氧化锂为催化剂,通过适当的条件控制,高效、经济地制备了两种重要的三硅醇：三硅醇七聚异丁基POSS和三硅醇七聚苯基POSS,产率高达94-98%。通过IR、NMR、MS和TG对三硅醇进行了表征,并分别探讨了反应条件对三硅醇产率的影响,优化了合成步骤。此外,还对比了两种碱催化反应制备三硅醇的优缺点,以氢氧化锂为碱制备三硅醇,其反应条件要求低、操作简单,中和难度小、步骤少,从而成为制备三硅醇最佳的工艺方法。第三章是活性笼型倍半硅氧烷的合成与表征。利用直接水解法和改良的缺角闭环法(以低温加料和辅助催化的方式改良)制备了15种具有活性官能团的POSS,其中包括新颖的单官能团POSS和桥式氨基POSS,并对新POSS的结构进行了详细的表征,探讨了制备条件对目标产物的影响,优化了反应条件。在制备异丁基活性POSS时,以四乙基氢氧化铵或者二月桂酸二正丁基锡为催化剂,以THF为溶剂,在低于10℃的条件下连续反应18-24h,目标产物的产率较高。而在制备苯基活性POSS时,以二月桂酸二正丁基锡为催化剂,以甲苯为溶剂,在低于-8℃的条件下通过滴加硅烷的方式投料,反应12h,mu标产物的产率较高。第四章是新型苯基笼型倍半硅氧烷/聚氨酯乳液的制备与表征。利用自制的苯基POSS性水性PU,制备了新颖的POSS/PU乳液,并研究了结构与性能的关系。IR证实了POSS被成功的引入到PU体系中,乳液粘度及粒径微小的变化表明POSS的引入并不明显改变PU的分散性质。拉力测试表明POSS能够有效地提高PU的强度,DSC表明POSS (?)能够显著地提高PU的玻璃化转变温度,TGA表明POSS延缓了PU的降解过程,提高了残留率。进一步研究发现,4%的苯基POSS就能够有效提高PU的上述性能。而且,在实验范围内,POSS(?)内引入量越多,性能提升越明显。第五章是笼型倍半硅氧烷改性超支化水性聚氨酯的应用研究。利用自制的POSS改性超支化水性聚氨酯(HBPU),考察不同类型的POSS对HBPU性能的影响。研究发现,POSS的引入均提高了HBPU的玻璃化转变温度、模量、强度、耐热性和耐水性,为HBPU的改性提供了一种可以选择的新方法。但是,不同类型的POSS对PU性能的影响程度是不同的。苯基POSS具有较大的苯基基团,能够有效地限制PU链段的移动,从而导致玻璃化转变温度较大的增幅。而异丁基POSS因良好的纳米分散作用和相容性,使改性的聚合物模量更高。此外,苯基POSS能够有效地提高HBPU的热稳定性,然而,异丁基POSS对HBPU的热稳定性影响则较小。