本发明关于一种聚氨酯预聚体改性环氧树脂乳液及其制备方法和应用；其中，所述制备方法包括如下步骤：使聚醚多元醇与脂肪族多异氰酸酯反应，得到聚氨酯预聚体反应产物；向聚氨酯预聚体反应产物中加入扩链剂、交联剂、有机溶剂及催化剂进行扩链和交联反应，得到交联反应产物；向交联反应产物中加入环氧树脂、稀释剂、抗氧化剂、乳化剂及有机溶剂，使交联网状结构的聚氨酯预聚体对环氧树脂进行接枝改性，得到改性反应产物；对改性反应产物进行后处理，得到聚氨酯预聚体改性环氧树脂乳液。本发明用于制备一种聚氨酯预聚体改性环氧树脂乳液，其能作为碳纤维用上浆剂，其在不降低原有碳纤维强度的基础上，能有效提升碳纤维的浸润性、集束性和耐磨性。