高分子薄膜的最终结构与性能取决于加上方法和上艺条件。拉伸加上薄膜如双向拉仲聚丙烯(BOPP)和聚酯(BOPET)具有强度高、透光性强、生产效率高等优点,拉伸加工成为高性能薄膜加工的主流发展方向。然而薄膜拉伸加工行业仍面临着巨大的挑战：占据薄膜比重最大的原料聚乙烯,全球至今没有工业化的双向拉伸技术：如何提高功能薄膜如锂离子电池隔膜的生产效率和良品率是薄膜产业面临的又一挑战。工业挑战的背后是有关薄膜拉伸加工过程的研究依然欠缺,人们无法深入地理解薄膜拉伸加工中复杂的物理问题。一方面,薄膜拉伸加工是多步工艺流程中多维分子参数、加工参数、凝聚态结构参数耦合的过程,解决薄膜拉伸加工中存在的问题就是在多维参数空间中求最优解,具有极大的挑战。另一方面,双向拉伸薄膜的研究对设备要求高,研究人员因研究条件限制而避开薄膜拉伸加工的研究。本论文主要针对薄膜拉伸过程中的物理问题,目标是搭建高分子薄膜拉伸加工物理在线研究平台,发展研制模拟薄膜工业加工过程的系列在线研究装备。基于本论文搭建的在线研究平台,一方面可原位跟踪薄膜拉伸过程中微观结构的形成和演化,揭示薄膜拉伸加工机理。另一方面,针对薄膜企业如包装膜、锂电池隔膜、光学薄膜等企业面临的技术工程问题,开展研究工作,为薄膜企业配方开发、工艺参数的优化提供指导。本论文的主要结果和结论总结如下：(1)设计研制了三层共挤挤出-流延实验线,可制备单层或三层拉伸薄膜的预制膜(铸片)。该实验线挤出系统由两台单螺杆工业挤出机、自动上料机、过滤器、熔体泵、分配器和口模组成。流延部分辊筒采用高精度伺服驱动,保证转速的精确控制：辊筒内布置螺旋流道,导热油在流道内循环保证辊面温度的均匀性：流延系统控制采用可编程逻辑控制(PLC)。该实验线的性能已经通过实验进行了验证,已成功制备干法单拉工艺锂电池隔膜预制膜,并通过后续拉伸制得微孔分布均匀的锂电池微孔隔膜。同时,流延系统兼有拉伸功能,可用于模拟薄膜双向拉伸的纵拉流程和锂电池隔膜干法单拉工艺的冷拉、热拉流程。(2)研制了与同步辐射宽角、小角超快X射线散射联用的单向受限薄膜拉伸装置,单向受限拉伸作为薄膜拉伸的基本单元,几乎可模拟所有工业薄膜拉伸过程。装置工作时伺服电机驱动滚珠丝杠对薄膜样品进行纵向拉伸,侧向夹具采用剪又式机构,既能防止样品收缩,又不干扰样品纵向拉伸。该装置可实现所有加工参数的独立、精确控制,如拉伸温度、拉伸比、拉伸速度(或应变速率)等。装置与同步辐射超快X射线散射联用,可同时获得拉伸过程中力学信息(应力应变)和薄膜样品的结构(结晶度、取向度、片晶长周期)演化,将两者进行耦合,可以建立拉伸工艺与薄膜结构的关系。(3)为了真实地模拟薄膜双向拉伸过程,研制了温控高速大应变薄膜双向拉仲装置,主要由三个部分组成,即拉伸系统、热风循环加热系统和控制系统。对于拉伸系统,高精度伺服电机驱动垂直交错的导轨沿两个方向独立运动,菱形机构驱动气动夹具沿导轨滑动,对样品实施拉伸。预热炉和拉伸炉均采用热风循环进行加热,既能实现腔体的快速升温,又能保证炉内温度均匀性。而控制系统采用Labview软件进行集成,可实现样品拉伸、采集拉伸过程中两个方向力学信息、拉伸机构在不同工位间切换。该装置能够实现的技术参数可以与商业仪器匹配。同时,该装置在厚度方向尺寸较小,可与实验室研制的立式超小角、宽角X射线散射联用,原位研究薄膜单向或双向拉伸之后微观结构演化动力学。基于该装置,可原位研究薄膜拉伸过程中的基础科学问题,同时可与薄膜生产企业合作,解决生产上存在的工程技术问题,开发新的工艺与产品。(4)基于自行研制的单向受限薄膜拉伸装置,采用同步辐射小角、宽角X射线散射方法分别研究了受限、不受限拉伸时拉伸比对高密度聚乙烯(HDPE)结晶行为的影响。受限拉伸时样品的侧向尺寸保持不变,而不受限拉伸时样品可沿侧向自由收缩。对于受限拉伸,随着拉伸比的增加,结晶初期分别生成了取向较弱、取向较强的片晶、纤维晶结构。我们将其分为三个区域。同时,宽角衍射花样显示,这三个区域的晶体分别为完全扭曲的片晶、部分扭曲的片晶和平行排列的片晶。对于不受限拉伸而言,在应变范围内,同样存在三个特征区域,但是从第一区域向第二区域,从第二区域向第三区域转变的拉伸比小于受限拉伸。受限拉伸一定程度上限制了分子链沿拉伸方向取向,延缓取向片品向纤维品的转化,对于双向拉伸而言,第一个方向拉伸时纤维晶的生成不利于第二个方向的拉伸,因此受限拉伸拓宽了薄膜拉伸加工的窗口。该工作为BOPE纵向拉伸应变窗口的探究提供指导。(5)基于自行研制的薄膜双向拉伸装置,研究了拉伸方式对薄膜结构的影响。选择的拉伸方式分别为单向受限、单向不受限、双向同步和双向异步。拉伸之前铸片结构是无明显取向的球晶,单向受限、不受限拉伸分别生成了取向的片晶,而且单向受限拉伸生成的片晶侧向尺寸较大。双向同步和双向异步拉伸之后的薄膜在两个方向无明显取向。与铸片相比,所有拉伸方式得到的薄膜晶体结晶度增加,熔点升高。(6)基于薄膜双向拉伸装置,与薄膜企业共同开发了高柔软性BOPP薄膜,使其可用作柔性电路板保护膜,提高产品附加值。同时建立了薄膜柔软性的表征方法。在实验室规模内,从配方的角度,向PP基料里加入较软的组分如低密度聚乙烯(LDPE)、三元乙丙橡胶(EPDM)等,可提高薄膜柔软性。从工艺的角度,拉伸时降低纵向(MD)拉伸比、减小拉伸速率、提高拉伸温度可降低晶体纵拉方向取向度,增加BOPP薄膜柔软性。将实验室开发的配方用于生产线中,成功地研制了柔性电路板基材用BOPP保护膜,使得薄膜柔软度达到使用要求,代替吹塑PE薄膜,降低下游客户使用成本。本论文的主要创新点：(1)研制的三层共挤挤出-流延实验线挤出时每层原料所占比例从10%：80%：10%到30%：40%：30%连续可调。挤出系统除配有PP、HDPE等挤出用通用螺杆外,另配有PET、LLDPE、PVDF专用螺杆,几乎可用于所有高分子材料的挤出加工。流延驱动采用伺服电机保证了辊速的精确控制。该实验线的研制为薄膜拉仲加工研究提供了基础。(2)研制的单向受限拉伸装置作为薄膜拉伸的基本单元,可模拟所有薄膜拉伸过程。该装置与同步辐射超快宽角、小角X射线散射联用,可同时获得拉伸过程中应力应变信息和微观结构演化信息,为揭示薄膜拉伸机理,建立加工-结构关系提供有效手段。(3)自主设计研制了与立式超小角、宽角X射线散射联用的薄膜双向拉伸装置,首次实现了高分子薄膜在双向拉仲过程中结构演化的原位检测。基于该装置,可在线研究薄膜双向拉伸过程中微观结构演化机理,同时为薄膜企业开发新产品,优化工艺路线提供了帮助。(4)在线研究了PE薄膜纵向拉伸时结构演化与拉伸比、拉伸方式的关系,为BOPE纵向拉伸应变窗口的探究提供指导。(5)建立了薄膜结构与拉伸方式的关系,为薄膜结构设计提供了依据。(6)在实验室规模内设计实施了高性能薄膜开发方案,并将实验窒开发的工艺与配方用于指导工业生产,成功研制出高柔软性BOPP薄膜,提高产品附加值,实现了实验室研发到工业生产的完美结合。