因其大比表面积特性,优异的力学性能、耐腐蚀性和高性价比,超高分子量聚乙烯(UHMWPE)多孔材料在能源、环境等领域应用的越来越广泛。UHMWPE微孔膜和多孔纤维加工涉及凝胶挤出、单向或双向拉伸、溶剂萃取、干燥等工序,是多维加工外场(拉伸倍率、拉伸温度、拉伸方式等)作用下多尺度结构演化的动态连续过程。理解其拉伸过程中的微观结构演变机理,建立加工—结构—性能关系是实现微孔膜和纤维结构、性能精准调控的关键。作为二维材料,微孔膜均采用双向拉伸的方式制得,加工过程中需经历纵向与横向二维应力场和温度场的耦合作用。然而,关于拉伸诱导的UHMWPE结构演化的研究大多是在一维应力场作用下,其在二维应力场及温度场共同作用下UHMWPE的晶体演化过程研究较少。本论文基于薄膜拉伸加工物理多尺度结构研究平台,结合扫描电镜(SEM)等离线表征技术研究了双向拉伸二维应力场作用下UHMWPE凝胶膜的结构演化机理,构建了纵向、横向二维应变参数空间内形态相图;研究了温度场作用下UHMWPE微孔膜的结构演化机制和力学行为;研究了 UHMWPE多孔膜和多孔纤维在分离、离子吸附等水处理领域的应用。主要的研究成果和结论如下:(1)利用宽角X射线衍射(WAXD)技术研究了含液体石蜡(也称石蜡油)的UHMWPE凝胶膜在异步双向拉伸过程中的晶体结构演化机理,同时采用SEM对拉伸、萃取、干燥后的微孔膜的表观形貌进行表征。结果表明:在纵向拉伸过程中,发生片晶向纤维晶转化,转化机理为熔融再结晶;而对于横向拉伸过程,其结构演化机理取决于纵向拉伸比(简称纵拉比),即:(1)纵拉比小于3时,横向拉伸过程中,沿纵拉方向(MD)微弱取向的片晶通过熔融重结晶转变成沿横拉方向(TD)取向的纤维晶;(2)纵拉比是4到6时,发生MD的纤维晶向TD倾斜;(3)纵拉比大于6时,沿MD取向的微纤被撕裂成更细的微纤或者纤维晶,随后发生纤维晶向TD的倾斜。在理解双向拉伸结构演化机理的基础上,构建了二维应变空间内的晶体形貌相图,为UHMWPE微孔膜加工工艺窗口选择提供指导。(2)以UHMWPE微孔膜为材料体系,系统研究了其在双向拉、温度外场作用下力学行为及微观形变机理。采用SEM表征了不同拉伸工艺下微孔膜的表观形貌,基于图像处理软件统计了纤维直径、孔径及表面孔隙率;同时采用WAXD研究了拉伸外场作用下UHMWPE多孔膜晶体结构演化。研究表明:(1)随拉伸温度的升高,MD与TD屈服应变均呈减小趋势,表明在拉伸过程中温度越高,越会过早发生屈服;(2)随拉伸温度升高,UHMWPE微孔膜微观结构演化呈现三种不同形变机理,微孔演变存在四种机制,即孔径增大、纤维细化、直径减小、孔数量增加、纤维层间滑移分离,温度不同四种机制主导作用不同。该研究工作为UHMWPE微孔膜晶体形态、孔结构、孔隙率等结构、性能调控提供基础数据。(3)在理解双向拉伸外场作用下UHMWPE微观结构演化机理的基础上,采用双向异步拉伸制备了 UHMWPE纳米纤维膜,其具有孔径分布均一、力学性能高等特点。采用WAXD和SEM分别研究了纤维取向程度和薄膜的表面形貌。结果表明,纳米纤维薄膜由纤维骨架和骨架之间的微孔构成,纤维直径在30～40 nm之间,孔径在19～26 nm之间。同时,UHMWPE纳米纤维膜的模量最大值为1186 MPa,拉伸强度最大值为154 MPa,大约为传统电纺纳米纤维膜的10倍。分离实验表明在水通量约100 L/m2.h条件下,纳米纤维膜可以有效截留分子量大于100 kDa的分子,截留率大于90%,其在微滤领域表现出广阔的应用前景。(4)以UHMWPE多孔纤维为基体,采用γ射线辐照技术对其进行改性,研究了丙烯酸改性纤维(UHMWPE-g-PAA)对水溶液中铜离子(Cu2+)的吸附能力。采用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、能谱仪(EDS)、SEM及拉伸仪对改性纤维结构、形貌、性能进行表征。结果表明,丙烯酸改性的UHMWPE多孔纤维(UHMWPE-g-PAA)具有突出的亲水性。同时改性后UHMWPE-g-PAA纤维具有优异的力学性能,其拉伸强度约0.4 GPa。采用准一级、准二级和粒子内扩散模型,研究了辐照剂量和聚丙烯酸(PAA)接枝程度对改性UHMWPE-g-PAA纤维吸附动力学的影响。结果表明,UHMWPE-g-PAA纤维吸附容量可达63 mg/g,并且吸附过程完全符合Cu2+溶液吸附的准二级动力学模型。该工作制备的高强度、亲水性和多孔UHMWPE-g-PAA纤维在污水处理中具有广阔的应用前景。