งานวิจัยของ รศ.ดร. ทวีชัย อมรศักดิ์ชัย เกี่ยวข้องกับเส้นใยพอลิเอทิลีนที่มีการจัดเรียงตัวสูง (highly oriented polyethylene) ซึ่งเตรียมได้จากการยืดพอลิเอทิลีนที่อุณหภูมิสูง ให้มีความยาวเป็นหลายสิบเท่าของความยาวเริ่มต้น ผลิตภัณฑ์ที่ได้มีมอดูลัสและความแข็งแรงเพิ่มขึ้นจากเดิมหลายเท่าตัว โดยได้ศึกษาทั้งในด้านพื้นฐานและประยุกต์ ได้แก่ การศึกษาอิทธิพลของส่วนที่เป็นอสัณฐาน ต่อการเกิดปฏิกิริยาเคมีในพอลิเอทิลีนที่มีการจัดเรียงตัวสูง และพบว่าส่วนอสัณฐานที่มีการจัดเรียงตัว (oriented amorphous) มีความต้านทานต่อการเกิดปฏิกิริยาเคมีสูง และในการศึกษาเดียวกันยังพบด้วยว่า ปฏิกิริยาการกราฟต์ด้วยไวนิลมอนอเมอร์ สามารถเกิดขึ้นภายในเส้นใยได้ จากมอนอเมอร์ ที่แพร่เข้าไปในส่วนอสัณฐานของเส้นใย ซึ่งได้มีการประยุกต์ความรู้ที่ได้ในการปรับปรุงสมบัติด้านความทนต่อแรงกดของเส้นใยพอลิเอทิลีน

งานวิจัยมุ่งเน้นการศึกษาการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างที่เกิดขึ้นระหว่างการยืดพอลิเอทิลีน จากการศึกษาเบี้องต้นพบว่า พอลิเอทิลีนที่ผ่านการยืด มีโครงสร้างที่สัมพันธ์กับโครงสร้างเริ่มต้นแม้ว่าจะถูกยืดออกไปหลายเท่าก็ตาม หรืออาจเรียกได้ว่า พอลิเอทิลีนที่ผ่านการยืดสามารถจำโครงสร้างเริ่มต้นได้ และยังพบอีกว่า พอลิเอทิลีนที่ผ่านการยืดอาจเกิดตำหนิ (defect) ที่มีโครงสร้างเฉพาะ นอกจากนี้แล้ว ยังได้ศึกษาการปรับสภาพผิวของเส้นใยพอลิเอทิลีนเพื่อให้เหมาะสมต่อการประยุกต์ในงานวัสดุคอมพอสิท