identifier: Taghizadeh, A. (2012). Novel Polymer Blends with Thermoplastic Starch  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: De nos jours, il ne fait aucun doute que le développement de l'industrie plastique est directement lié à son adaptation face aux nouvelles préoccupations écologiques. De nouveaux polymères, les bioplastiques, sont apparus sur le marché et se développent très rapidement. Ils regroupent les polymères biosourcés et / ou biodégradables tels que le bio-polyéthylène (bio-PE), le bio-polypropylène (bio-PP), le polycaprolactone (PCL), le poly(butylène adipate-co-téréphtalate) (PBAT) ainsi que le polylactide (PLA) et les polysaccharides. Parmi ces polymères, l'amidon présente des caractéristiques très intéressantes. Il peut être obtenu à partir de multiples ressources et se dégrade naturellement dans l'environnement. L'amidon peut être plastifié, on le nomme alors amidon thermoplastique (TPS) et il possède l'avantage de pouvoir ensuite être mis en oeuvre comme n'importe quel polymère thermoplastique. En raison de son faible coût et de sa grande disponibilité, l'amidon thermoplastique peut être ajouté dans d'autres résines. Cependant, l'amidon thermoplastique (TPS) ne possède pas de très bonnes propriétés mécaniques et ses propriétés fluctuent en fonction de l'environnement, en raison de sa nature hygroscopique. Aussi, il est difficile d'utiliser le TPS tel quel : il doit être mélangé avec d'autres plastiques. Les applications pour les mélanges avec TPS se limitent principalement aux matériaux non-durables, tels que les sacs, les ustensiles et les articles de vaisselle. Si la résistance à l'humidité et / ou les propriétés mécaniques pouvaient être améliorées, la gamme d'application pourrait inclure des produits semi-durables et durables. Dans notre étude, deux options seront examinées: 1) la modification de la structure interne de l'amidon thermoplastique, 2) l'incorporation de nano-charges dans la structure du TPS. La gélatinisation de l'amidon s'effectue avec l'aide de plastifiants qui ont des effets significatifs à la fois sur le procédé de plastification et sur les propriétés finales du TPS. Quatre plastifiants ont été sélectionnés : le glycérol, le sorbitol, qui sont déjà souvent utilisés, et le diglycérol et le polyglycérol, qui ont été étudiés pour la première fois dans ce procédé. Deux méthodes de caractérisation ont été mises en oeuvre. L'analyse calorimétrique par DSC (Differential Scanning Calorimetry) associée à la microscopie optique est une méthode ‘statique' où aucun cisaillement n'est appliqué. Comme la gélatinisation est une transition du premier ordre, on observe un pic endothermique en analyse calorimétrique. La gélatinisation correspond à la disparition de cristallinité des granules d'amidon et sous un microscope optique en lumière polarisée, on peut vii suivre celle-ci par la perte de biréfringence. La gélatinisation de l'amidon en condition statique a été examinée pour les 4 plastifiants, en préparant une large gamme de composition amidon/eau/plastifiant. Le glycérol a servi de référence car il est connu pour être le plus largement utilisé pour obtenir de l'amidon thermoplastique. L'intervalle en température pour la gélatinisation avec du glycérol et du sorbitol s'est révélé être assez similaire, tandis que les échantillons contenant du diglycerol et du polyglycérol étaient caractérisés par des températures de transition significativement plus élevées. Cette transition était observée à des températures plus élevées pour le polyglycérol que pour le diglycérol, en raison de son plus haut poids moléculaire et de sa viscosité. Cet effet a été attribué à l'augmentation du poids moléculaire et de la viscosité des deux nouveaux plastifiants, combinée aussi à leur plus faible solubilité dans l'eau. Pour une quantité constante d'amidon dans tous les essais, il a été montré que le rapport eau/plastifiant avait un effet évident sur les températures de gélatinisation. Pour une proportion constante de plastifiant, l'augmentation de la quantité d'eau permettait de diminuer la température de gélatinisation pour tous les plastifiants. Par ailleurs, quand la quantité d'eau était constante et que l'on augmentait la quantité de plastifiant, la température de gélatinisation augmentait pour le glycérol, le sorbitol et le diglycérol, mais diminuait pour le polyglycérol. La variation de la température de gélatinisation pour les trois premiers plastifiants indique que l'eau a un rôle prépondérant dans le phénomène de plastification en faisant gonfler les granules d'amidon. En raison de son haut poids moléculaire et de sa viscosité, ainsi que de sa faible densité en groupe hydroxyle (environ un –OH par deux carbones) et de sa solubilité plus faible dans l'eau, le polyglycérol ne bénéficie pas de l'aide de l'eau qui favorise la pénétration du plastifiant dans l'amidon. Ainsi il a été proposé que, pour les plastifiants de faible solubilité dans l'eau, la température de gélatinisation est déterminée principalement par la quantité totale de plastifiant et d'eau, plutôt que le rapport eau/plastifiant. On peut dire que chaque élément dans le procédé agit séparément et est indépendant l'un de l'autre. L'augmentation de la miscibilité du polyglycérol dans l'eau en augmentant la température de la suspension initiale, se traduit par un retour du système à la dépendance thermique de gélatinisation typique à "plastifiant / eau" ratio. Deuxièmement, la gélatinisation de l'amidon sous ‘condition dynamique' est étudié. Dans ce cas-ci un cisaillement constant est appliqué sur la suspension, et la gélatinisation est induite en augmentant la température. Il s'agit en fait d'une technique rhéologique qui convient bien à l'étude de l'amidon thermoplastique. Le TPS est produit par des procédés d'extrusion impliquant viii du cisaillement, mais il n'y a pas d'études approfondies sur l'effet du cisaillement sur la gélatinisation, à ce jour. Dans notre étude, le glycérol, le diglycérol et le sorbitol ont été soumis à différents traitements de gélatinisation dynamiques dans un système d'écoulement Couette et les résultats ont été comparés avec ceux de la gélatinisation statique. Le cisaillement n'a montré pratiquement aucun effet sur la température initiale de gélatinisation, alors que la température finale a été remarquablement réduite (jusqu'à 21˚C) en présence de cisaillement. On a pu conclure que la température finale était plus dépendante de la cinétique et qu'une gélatinisation complète pouvait être obtenue dans des délais plus courts sous cisaillement. De plus, il a été observé que la structure du plastifiant n'avait aucun effet sur la manière dont le cisaillement influence la gélatinisation. Nous avons ensuite étudié l'efficacité des plastifiants dans des mélanges. Les bioplastiques sont les meilleurs candidats pour être mélangé avec du TPS. Le polyéthylène, l'un des plastiques les plus utilisés, peut être aujourd'hui produit à partir de la biomasse et par conséquent il existe des bio-polyéthylènes (bio-PE), quand même s'il reste non biodégradable. Ces facteurs soulignent l'intérêt de préparer de nouvelles formulations de TPS avec du bio-PE et d'étudier la relation structure morphologique / propriétés mécaniques de ces mélanges. Dans la deuxième partie de cette étude, les formulations de TPS à partir des quatre plastifiants mentionnés, que nous nommerons glycérol-TPS, sorbitol-TPS, diglycérol-TPS et polyglycérol-TPS par la suite, ont été caractérisées par deux essais préliminaires : l'absorption d'humidité dans une chambre environnementale et la stabilité en température mesurée par analyse thermogravimétrique (TGA). L'essai à 80% d'humidité relative et 25˚C a révélé que le polyglycérol-TPS présentait l'absorption d'humidité la plus faible (15% d'augmentation en masse) par rapport au glycérol-TPS (40%). Ainsi, les fluctuations des propriétés mécaniques induites par l'humidité devraient être moins prononcées pour le polyglycérol-TPS, suivi par le diglycérol-TPS et le sorbitol-TPS. Le test de stabilité en température a également révélé le potentiel d'applications nouvelles pour le polyglycérol-TPS. L'analyse thermogravimétrique a montré qu'à 156°C, 5% du plastifiant de l'échantillon glycérol-TPS avaient été volatilisés. Cette température est très faible considérant que la majorité des polymères ont une température de mise en oeuvre souvent supérieure à 150°C. La température pour une perte de masse du plastifiant de 5% était de 235˚C, 225˚C et 203˚C, respectivement pour le sorbitol-TPS, le polyglycérol-TPS et le diglycérol-TPS. En tenant compte de leur nature moins hygroscopique, ces plastifiants pourraient ix accroître le champ d'application de l'amidon thermoplastique. Suite à ces essais, les mélanges de polyéthylène haute densité (HDPE) / TPS 80/20 (% massique) ont été préparés par un procédé breveté de ce laboratoire. Les résultats de la microscopie électronique à balayage (SEM) sur des échantillons préparés par extrusion, ont démontré qu'en dépit de la viscosité élevée de ces nouveaux plastifiants, la taille des gouttelettes de TPS dans la matrice PE était du même ordre de grandeur que celle obtenue avec du TPS plastifié avec du glycérol. Un copolymère (polyéthylène greffé anhydride maléique, PE-g-MA) a été en outre ajouté aux mélanges à différents taux pour obtenir les courbes d'émulsification. Ces courbes montrent que la taille des gouttelettes (caractérisée par le diamètre moyen en volume, dv et le diamètre moyen en nombre, dn) diminue lorsqu'on augmente la quantité du PE-g-MA jusqu'à atteindre un plateau pour 9% en masse de PE-g-MA pour le glycérol-TPS et le sorbitol-TPS. Les résultats sont différents pour le diglycérol-TPS et le polyglycérol-TPS : la concentration critique pour la saturation de l'interface est aussi à 9% en masse pour le dv mais est à 1% pour le dn. En incorporant seulement 1% de copolymère, un nombre considérable de très petites gouttelettes apparaissent qui maintiennent la même taille jusqu'à des concentrations plus élevées de copolymère. Ce comportement inhabituel pour le diglycérol-TPS et le polyglycérol-TPS peut indiquer que le mécanisme de formation des gouttelettes s'effectue par érosion, favorisant le départ de fragments de TPS à la surface extérieure des gouttelettes. Le TPS, qui est un mélange partiellement miscible d'amidon et de plastifiant, présente deux pics de transition dans les analyses dynamiques mécaniques (DMA). On a observé que les températures de transition vitreuse du diglycérol et du polyglycérol dans le TPS ont considérablement été déplacées (~ 45 ˚C) vers les températures de transition des molécules d'amidon. Ces changements sont de 50% supérieur à ceux observés pour les molécules de glycérol dans le TPS. Par conséquent, on peut considérer que le diglycérol-TPS et le polyglycérol-TPS ont une meilleure miscibilité (moins de séparation de phase) par rapport au glycérol-TPS. Cette homogénéité renforcée permet au processus d'érosion d'être observé à plus faible concentration de copolymère pour le diglycérol-TPS et le polyglycérol-TPS. L'effet est probablement masqué dans le glycérol-TPS en raison de la formation d'une couche intermédiaire de glycérol à la surface extérieure de la gouttelette. Les propriétés mécaniques présentent un comportement global identique pour toutes les formulations sauf pour le sorbitol-TPS dont la ductilité n'était pas améliorée en présence du compatibilisant, probablement en raison de la cristallisation du sorbitol à température ambiante. x Les nanotubes de carbone (CNT) peuvent être ajoutés aux bioplastiques pour cibler des applications de haute performance. En raison de la disponibilité du TPS et du nombre croissant de mélanges TPS sur le marché, il est intéressant d'incorporer des nanotubes dans les mélanges TPS. Pour cette partie, nous avons choisi le mélange de Polycaprolactone (PCL) / TPS. Le PCL a une rigidité très faible et l'ajout de nanotubes pourrait permettre de nouvelles applications pour les mélanges avec PCL. Le PCL peut être facilement dissous dans le tétrahydrofurane (THF) à température ambiante qui est un bon solvant pour les nanotubes de carbone. La température de fusion du PCL est très faible (65˚C) et le mélange peut être fait à basse température, sans dégrader le TPS. Enfin, il y a une vaste connaissance dans ce laboratoire sur la relation structure-morphologie dans les mélanges PCL/TPS. Les propriétés mécaniques, optiques et électriques dans les mélanges de polymères chargés dépendent fortement de la localisation des charges et de leur niveau de la dispersion. Afin d'obtenir une très bonne dispersion, un produit concentré (une ‘masterbach') de PCL/CNT a été préparé par la méthode de solution. Cette formulation a été ensuite mélangée avec du PCL et du TPS par deux procédés. Dans la première méthode, une extrudeuse bi-vis (TSE) a été utilisée pour mélanger le TPS et le PCL. Il a été observé qu'en utilisant la TSE et en alimentant les nanotubes avec le PCL, la majorité des nanotubes de carbone sont situés dans la phase dispersée et aussi en partie à l'interface. Ceci est un résultat très intéressant car le temps de séjour dans la TSE était de moins de deux minutes. Cette localisation restait stable même après une longue durée de recuit à l'état fondu. En utilisant le modèle de Young afin de déterminer l'état thermodynamiquement préférée de dispersion, conduit à la localisation des nanotubes à l'interface mais pas au sein de la phase TPS. Afin d'étudier le niveau d'interaction entre TPS et les nanotubes, X-ray spectroscopie de photoélectrons (XPS) a été utilisé sur les échantillons qui ont été extraites de la TSE en plusieurs étapes. Il a été démontré que les nanotubes sont toujours encapsulés par les molécules d'amidon. La capacité de l'amidon de rester sur la surface du nanotube de carbone, même après plusieurs extractions et deux semaines de solubilisation est un indice important de formation d'une liaison covalente entre les groupes acide carboxylique sur la surface du nanotube et du TPS. Alors, il a été conclu qu'une fois que les nanotubes de carbone ont été poussés à l'interface, afin de réduire l'énergie libre totale du système, la réaction survient à l'interface entre les groupes carboxyliques des nanotubes de carbone et les groupes hydroxyles des molécules d'amidon. À la suite de cette réaction et la formation d'une couche d'encapsulation xi TPS autour du nanotube, les nanotubes de carbone sont attirés dans la phase dispersée de l'amidon thermoplastique. Paramètres de traitement se sont révélées à influer profondément sur le phénomène de localisation. Autrement dit, l'équilibre thermodynamique ne peut être atteint que si les paramètres cinétiques de fournir les conditions requises. Afin d'évaluer l'influence de la technique de traitement différent sur la localisation des nanotubes de carbone, un mélangeur interne a été utilisé. Étant donné que le mélangeur interne impose un champ d'écoulement principalement de cisaillement, son influence sur le processus de localisation sera intéressante à examiner. Afin d'évaluer la performance du mélangeur interne (IM) dans la préparation de ce nanocomposite, nous avons répété une approche similaire à celle pour le processus de TSE. Les échantillons obtenus uniquement avec le mélangeur interne ont montré une localisation tout à fait différente : les nanotubes restaient dans la phase PCL et aussi à l'interface. Mais ils n'ont pas entré dans la phase dispersée dans toutes les conditions. Considérant le modèle mentionné ci-dessus à propos de l'état d'équilibre thermodynamique, la différence dans la localisation a été attribuée aux effets cinétiques. Les essais rhéologiques ont révélé un fort comportement rhéofluidifiant naturel du TPS. La comparaison des taux de cisaillement et de la contrainte de cisaillement dans les deux procédés, TSE et IM, ont montré que le TPS avait des viscosités très différentes. En raison des conditions de taux de cisaillement / contrainte de cisaillement élevés dans l'extrusion, la viscosité du TPS est remarquablement réduit, permettant aux nanotubes réagi de pénétrer dans la phase TPS. À l'opposé, la viscosité élevée du TPS dans le procédé IM ne permet pas aux nanotubes de se déplacer dans la phase TPS. Par conséquent, comme cela n'est pas l'état d'équilibre de la dispersion, la localisation est instable et très probablement il sera soumis à modification par le retraitement sous les paramètres de traitement différents. La morphologie du TPS dans le PCL a été étudiée plus en détail. En extrusion, les nanotubes n'ont pas montré de différence sur la taille des gouttelettes de TPS. Mais dans le précédé IM, en raison de l'augmentation de la viscosité du PCL et de la localisation des nanotubes dans l'interface, avec 0,5% massique de nanotubes la taille des gouttelettes chute de moitié. En raison de l'interaction au niveau moléculaire entre les nanotubes et les chaînes polymères, il est prévu que l'ajout de nanotubes aux polymères affectera les propriétés physiques des polymères. La structure supramoléculaire du PCL a également été modifiée par l'ajout des nanotubes comme l'ont révélé les essais de DSC non isothermes. Il a été montré que les xii nanotubes pouvaient effectivement agir comme des agents de nucléation en augmentant les températures de cristallisation tandis que le taux de cristallinité diminuait en raison des imperfections plus importantes dans les sphérolites de PCL en croissance. Un autre effet était sur les températures de transition de la phase de TPS chargé avec les nanotubes. Dans les échantillons extrudés, il a été observé que l'ajout de 0,5% en masse de nanotubes au mélange diminuait considérablement la température de la transition α des molécules d'amidon (~ 26 ˚ C). Ceci a été attribué aux effets causés par la facilité du glissement des chaînes d'amidon autour de la surface solide en raison d'une plus faible densité d'enchevêtrement et orientation imposée.  ABSTRACT: A new class of polymers known as “bioplastics” has emerged and is expanding rapidly. This class consists of polymers that are either bio-based or biodegradable, or both. Among these, polysaccharides, namely starch, are of great interest for several reasons. By gelatinizing starch via plasticizers, it can be processed in the same way as thermoplastic polymers with conventional processing equipment. Hence, these bio-based and biodegradable plastics, with their low source and refinery costs, as well as relatively easy processability, have made them ideal candidates for incorporation into various current plastic products. However, thermoplastic starch (TPS) does have two major drawbacks: first, its low intrinsic mechanical properties, and second, its hygroscopic nature, which results in the fluctuation of its properties in different environments. Thus, it is difficult to use TPS as it is, and it must be blended with other plastics. Due to these reasons, the majority of TPS-blend applications are in the category of non-durable materials, such as grocery bags, cutlery, bowls and cups. If the moisture-resistance and/or mechanical properties of TPS are enhanced, however, its scope of application could be broadened to include semi-durable and durable products. To achieve this, two options will be examined: 1) altering the internal structure of thermoplastic starch, and 2) incorporating nanofillers into the structure of TPS. Four different plasticizers have been chosen here for gelatinization of TPS: glycerol, sorbitol, diglycerol and polyglycerol, with the latter two being used for the first time in such a process. Two methodological categories are used. The first involves a calorimetric method (Differential Scanning Calorimetry) as well as optical microscopy; these are “static” methods where no shear is applied A wide range of starch/water/plasticizer compositions were prepared to explore the gelatinization regime for each plasticizer.. The onset and conclusion gelatinization temperatures for sorbitol and glycerol were found to be in the same vicinity, while diglycerol and polyglycerol showed significantly higher transition temperatures. The higher molecular weight and viscosity of polyglycerol allow this transition to occur at an even higher temperature than with diglycerol. This is due to the increase in molecular weight and viscosity of the two new plasticizers, as well as their significant decrease in water solubility. It is demonstrated that the water/plasticizer ratio has a pronounced effect on gelatinization temperatures. When plasticizer content was held constant and water content was increased, it was found that the gelatinization temperature xiv decreased for all the plasticizers. Meanwhile, when the water content was held constant and the plasticizer content was increased, the gelatinization temperature increased for glycerol, sorbitol and diglycerol, but it moved in the opposite direction in the case of polyglycerol. The gelatinization temperature variation for glycerol, sorbitol and diglycerol caused by changing water and plasticizer content indicates that water is the primary agent causing granular swell and plasticization in the gelatinization process. Due to the high molecular weight and viscosity, as well as the low hydroxyl group density (~ one –OH per two carbon) and borderline solubility of polyglycerol in water, it is believed that water-aided penetration of the plasticizer among the crystalline structure of starch molecules is significantly decelerated. So it is proposed that in the case of low-water solubility of the plasticizers, gelatinization temperature is determined more by the total amount of the plasticizer and water, rather than the water/plasticizer ratio. Increasing the miscibility of polyglycerol in water by increasing the temperature of the initial slurry, results in a return of the system to the typical thermal dependence of gelatinization with plasticizer/water ratio. Secondly, the gelatinization of starch under “dynamic conditions” was studied. In this case, a constant shear is applied to the slurry, along with a temperature ramp to induce gelatinization. This is, in fact, a rheological technique that heats up the slurry, while a mechanical shear is applied throughout. The reason for using this method is that in the plastic industry, thermoplastic starch is produced via processes involving shear such as extrusion, but, to date, there has not yet been a thorough study on the effect of pure shear on the gelatinization process. Glycerol, diglycerol and sorbitol were subjected to different dynamic gelatinization treatments in a couette flow system, and the results were compared with static gelatinization. Applying shear showed virtually no effect on the onset gelatinization temperature. However, the conclusion temperature was remarkably reduced with the presence of shear. So it can be stated that the conclusion temperature is more kinetically driven (i.e. by applying high shear), so that complete gelatinization can be achieved in a shorter time-frame. Bioplastics are the most obvious choice to be incorporated in TPS blends. Polyethylene, one of the most commonly used plastics, can also be currently produced from biomass and hence considered as a bioplastic, though it remains non-biodegradable. These factors underline the interest to incorporate the new TPS formulations in bio-PE products and study their structural, morphological and mechanical properties. xv In this part of the work, all formulations of TPS—i.e. glycerol-TPS, sorbitol-TPS, diglycerol-TPS and polyglycerol-TPS—were subjected to two preliminary tests, examining moisture uptake level and temperature stability. Polyglycerol-TPS showed the least moisture uptake (15%), compared to glycerol-TPS (40%) at 25˚C and 80% humidity. So the above-mentioned humidity-induced fluctuations in the mechanical properties are less pronounced for polyglycerol-TPS, followed by diglycerol-TPS and sorbitol-TPS. The heat stability measurements also revealed new potential applications for polyglycerol-TPS. It was shown that the 5% plasticizer weight loss temperature for glycerol-TPS is 156˚C, which, considering the high processing temperature of the majority of commodity plastics (>150˚C), it is expected that high evaporation rates of the plasticizers would be observed during the process. Interestingly, it was found that the 5% plasticizer weight loss temperatures for sorbitol-TPS, polyglycerol-TPS and diglycerol-TPS are 235˚C, 225˚C and 203˚C, respectively, which, combined with their less hygroscopic nature, opens a wide range of applications for thermoplastic starch. In order to evaluate the performance of the new plasticizers in the TPS blends, blends of HDPE/TPS:80/20wt% were prepared through a patented process in the laboratory. Scanning electron microscopy results, demonstrated that despite the high viscosity of the new plasticizers, the droplet size of the TPS in PE matrix falls into the same region as glycerol-TPS. A copolymer (PE-g-Maleic Anhydride) was further added to the blends in various compositions. The emulsification curves show that the volume average droplet size (dv) and number average droplet size (dn), diminish accordingly by increasing compatibilizer content and reaches a plateau at 9wt% PE-g-MA for glycerol-TPS and sorbitol-TPS. But diglycerol-TPS and polyglycerol-TPS demonstrated different trends for the volume and number average diameters. For them, the critical concentration for saturation of the interface is at 1 wt% based on dn, but at 9 wt% based on dv. This means that for these latter two plasticizers, by incorporating only a 1% copolymer a significant number of very small droplets appear which maintain the same size throughout the whole copolymer composition range. This is demonstrated by droplet size-frequency histograms for diglycerol-TPS. The unusual behaviour exhibited by diglycerol-TPS and polyglycerol-TPS provides insight into their droplet formation mechanism and is indicative of an erosion-type mechanism where fragments of TPS break off of the outer envelope of the droplet. TPS as a partially miscible mixture of plasticizer and starch shows two transition peaks in dynamic mechanical analysis (DMA). It was observed that the transition temperatures of diglycerol and polyglycerol in TPS significantly shifted (~45˚C) towards the transition xvi temperatures of starch molecules. This shift was found to be 50% more than the same observed shifts for glycerol molecules in TPS. Consequently, diglycerol-TPS and polyglycerol-TPS appear to demonstrate an enhanced miscibility (less phase separation) as compared to glycerol-TPS. This enhanced TPS homogeneity allows the erosion process for diglycerol-TPS and polyglycerol-TPS to be observed at low interfacial modifier concentrations. The effect is likely masked in glycerol-TPS due to the formation of a glycerol interlayer at the outer boundary of the droplet. Mechanical properties show overall the same behaviour for all the formulations except for sorbitol-TPS, which did not show any improvement in ductility with the addition of a compatibilizer. This is most likely due to its re-crystallization at room temperature. Hence, the new TPS formulations display a similar performance to glycerol-TPS blends, but with enhanced moisture-resistance and thermal stability. The addition of carbon nanotubes (CNTs) to bioplastics is a route towards developing new applications for them as high-performance materials. For this part, we chose Polycaprolactone/TPS blends for several reasons: PCL has a very low rigidity, so the addition of nanotubes will introduce new properties to its blends; PCL can be easily dissolved in THF (Tetrahydrofuran) at room temperature which is a good solvent for carbon nanotubes; its melting temperature is low (65˚C), so blending can be done at low temperatures which ensures that TPS will be stable under those conditions; and finally there is significant knowledge in this laboratory about the structure-morphology relationship of PCL/TPS blends. One of the most important issues concerning the filled polymer blends which controls all their mechanical, optical and electrical properties is the localization of the fillers. Despite this importance, there is very little work in the literature on the stable localization of the nanotubes in multiphase polymers. The masterbatch of PCL/CNT was prepared using a solution casting technique. This masterbatch was then blended with virgin PCL and 20 wt% TPS via twin screw extrusion (TSE). Microscopic investigations revealed that while using the TSE, the carbon nanotubes were located majorly in the TPS bulk and also partly at the interface, while they were fed within the PCL phase. This gets more interesting, considering the fact that the residence time in TSE is less than 2 minute. This localization was found to be stable even after annealing for long durations. Using Young's model to determine the thermodynamically preferred state of dispersion, results in a prediction of interfacial localization for the nanotubes, not localization within the TPS phase. In order to investigate the level of interaction between TPS and nanotubes, xvii X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was used on the TSE. It was demonstrated that the nanotubes are still encapsulated by the starch molecules. The ability of starch to remain on the carbon nanotube surface even after multiple extractions and two weeks of solubilisation is strongly indicative of the formation of a covalent bond between the carboxylic acid groups on the nanotube surface and the TPS. So it was concluded that once the carbon nanotubes were driven to the interface in order to reduce the overall free energy of the system, an interface reaction occurs between carboxylic groups of CNTs and hydroxyl groups of starch molecules. Following this reaction and the formation of a TPS encapsulating layer around the nanotube, the carbon nanotubes are drawn into the thermoplastic starch dispersed phase. Thermodynamic equilibrium can be achieved only if the kinetics parameters provide the required conditions. In order to assess the influence of a different processing technique on carbon nanotube localization, an internal mixer was used. Since the internal mixer imposes a predominantly shear flow field, its influence on the localization process will be interesting to examine. In this process, completely different localization was observed; all the nanotubes remained in the PCL phase and at the interface. But they did not enter the dispersed phase under any conditions. Considering the above-mentioned model about the thermodynamic equilibrium state, the difference in localization was attributed to the kinetic effects. Rheological tests revealed the high shear thinning nature of TPS. The comparison of the shear rate and shear stress between TSE and IM showed that TPS would have significantly different viscosities in both processes. Due to high shear rate/shear stress conditions present in TSE, the viscosity of TPS in TSE reduces remarkably, allowing the reacted nanotubes to penetrate into TPS phase; meanwhile, the high viscosity of TPS in IM would not allow this penetration to proceed. Hence, since this is not the equilibrium state of dispersion, localization is unstable and most likely it will be subjected to change by reprocessing under different processing parameters. In addition, the morphology of TPS in PCL was studied. In IM, due to the increased viscosity of filled PCL and interface localization of the nanotubes, with the addition of 0.5 wt% of the nanotubes in the system, the droplet size drops to the half. Due to the molecular level interaction between nanofillers and the polymer chains, it is expected that the addition of nanofillers to the polymers will affect the physical properties of the polymers. The supramolecular structure of PCL was subjected to change by the addition of nanotubes, as revealed by non-isothermal DSC and DMA tests.


identifier: Rabezandriny, H. (2012). Prédiction du décrochage tournant dans les compresseurs axiaux multi-étagés  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Le décrochage tournant est une instabilité aérodynamique dans un compresseur qui limite l'enveloppe d'opération et la performance des moteurs d'avion. Aucun outil générique n'existe pour prédire cette instabilité pour laquelle des prédictions imprécises faites avec des outils empiriques peuvent s'avérer très coûteuse en termes de réingénierie lors de la phase de développement d'un moteur d'avion. Dans la littérature, cette instabilité peut se manifester à partir de deux types de précurseurs. Le premier est une perturbation à grande longueur d'onde comparable à la circonférence du rotor, et le décrochage tournant qui en découle est connue sous le nom de décrochage modal. Il existe déjà un critère assez fiable pour le prédire. Le second et plus commun mais moins bien compris comme type de précurseur, est une perturbation à courte longueur d'onde ou ‘pip' qui est étroitement associé à l'écoulement de jeu, soit l'écoulement entre le sommet du rotor et le carter. Le décrochage tournant qui en résulte est connu sous le nom de décrochage pip. Deux critères associés à la formation d'une perturbation à courte longueur d'onde et basés sur la physique de l'écoulement furent découverts antérieurement et pourraient mener à un système générique et fiable de prédiction du décrochage tournant. Le premier critère est le débordement de l'écoulement de jeu en amont du bord d'attaque du rotor et le second est le refoulement de l'écoulement de jeu au bord de fuite du rotor. Ces critères et le mécanisme physique associé furent obtenus à partir de simulations numériques de l'écoulement (CFD) avec un code de recherche relativement simple sur un rotor isolé de compresseur axial à basse vitesse. L'objectif de ce projet est de vérifier l'aspect générique de ces critères pour des applications réelles en les validant numériquement avec un code CFD commercial et utilisé en industrie sur différents géométries de rotor axiaux et en présence d'autres rangées d'aubes dans un compresseur multi-étagé. Des compresseurs axiaux à haute et à basse vitesse ont été simulés avec le code ANSYS CFX. Dans un premier temps, la présence des critères dans un rotor isolé devait être revérifiée. Par la suite, l'ajout d'un stator en aval a été réalisé pour vérifier les conséquences de l'effet potentiel du stator sur ces critères. Finalement, l'environnement d'un compresseur multi-étagé fut simulé en ajoutant des entretoises en amont d'un étage de compresseur pour vérifier les conséquences sur les critères des sillages d'une rangée d'aubes en amont. Les résultats indiquent que le critère associé au débordement de l'écoulement de jeu en amont du bord d'attaque du rotor, évalué à partir d'un champ d'écoulement moyenné temporellement, serait générique.  ABSTRACT: Rotating stall is a compressor aerodynamic instability that limits the operating envelope and performance of aircraft engines. There are no generic prediction tools for this instability for which inaccurate predictions with empirical tools can lead to expensive redesign during the engine development phase. There are two well-established routes to rotating stall in the literature. The first is characterized by the onset of a long length-scale disturbance whose wavelength is on the order of the annulus, also called the modal stall. The prediction criterion for modal stall is well established. The second and much more common but less understood rotating stall precursor consists of the occurrence of a short length-scale or spike disturbance, which is closely linked to tip clearance flow, which the is the flow across the clearance between the tip of the compressor rotor and the casing. The growth to this perturbation to full rotating stall is known as spike stall. Two physics-based criteria associated with the formation of a spike disturbance were previously discovered and could lead to a reliable generic rotating stall prediction system. The first criterion is the spillage of tip clearance flow ahead the rotor blade leading edge and the second criterion is the backflow of tip clearance fluid at the rotor trailing edge. These criteria and the associated flow mechanism were obtained from numerical simulations on an isolated low-speed compressor rotor using a relatively simple research CFD code. The objective of this project is to verify the generic nature of these criteria for real applications by validating them with simulations using more sophisticated commercially used CFD code of different axial rotor geometries in presence of adjacent blade rows in a multi-stage compressor. High-speed and low speed-compressors were simulated with ANSYS CFX. Initially, the criteria were checked on an isolated rotor. Subsequently, a downstream stator was added to investigate its potential effect on these criteria. Finally, a multi-stage compressor environment was modeled by adding a strut upstream of the compressor stage to verify the effect of wakes on the criteria. The results indicate that that the criterion associated with the spillage of tip clearance flow ahead the rotor blade leading edge, evaluated from a time-averaged flow field, is likely generic. By contrast, the criterion corresponding to the backflow of tip clearance fluid at the rotor trailing edge was not observed in any of the simulations. Although the spike disturbance formation mechanism associated with the two initial criteria must be revised, the generic aspect of the first criterion could open the door to a reliable rotating stall prediction system.


identifier: Garat, É. (2012). Enquête exploratoire sur les avantages et les risques des partenariats des entreprises développant ou utilisant des nanotechnologies au Québec  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Au cours des dernières années, les nanotechnologies sont devenues un domaine de recherche de grand intérêt. Ces technologies à usage général offrent un potentiel de développement dans une multitude de secteurs industriels qui, à terme, pourraient changer complètement chaque aspect de notre vie quotidienne ouvrant à de nouvelles opportunités, de nouveaux produits et de nouveaux marchés. Les nanotechnologies ont poussées les gouvernements de nombreux pays à investir pour leur développement car elles sont capables de répondre à de nombreux défis industriels. C'est dans ce contexte multisectoriel que le transfert de connaissance et sa commercialisation prennent une dimension importante. La recherche en nanotechnologies est valorisée par le capital intellectuel des entreprises qui cherchent à innover et améliorer leurs produits. En ce sens les nanotechnologies ne créent pas d'innovation de rupture mais sont intégrés avec d'autres technologies.  Pour obtenir ces connaissances qu'elles ne possèdent pas à l'interne, les entreprises doivent ouvrir leurs frontières et orienter leur modèle d'affaires vers le partage d'information et la collaboration avec d'autres organismes tels que des universités, des laboratoires de recherche, d'autres entreprises, etc. Malheureusement les phases de recherche et de développement de produits issus des nanotechnologies sont longues et couteuses. En effet, la certification des nouveaux produits est un processus très long qui est appliqué au cas par cas. Ce qui n'est pas pour encourager les potentiels investisseurs. Dans cette recherche, nous avons mis en évidence les paramètres que perçoivent les gestionnaires quand ils doivent décider ou non de collaborer. Notre étude se distingue des travaux recensés dans la littérature en se concentrant sur les bénéfices et les obstacles des relations de partenariats en lien avec les nanotechnologies. L'objectif étant de comprendre en quoi les nanotechnologies peuvent influer sur les paramètres de la prise de décision. Pour cela, nous avons dans un premier temps mené des entretiens semi-directifs auprès de chercheurs universitaires et de représentants de réseaux de collaborations au Québec. Basé sur ces entrevues et notre analyse de la littérature, nous avons ensuite rédigé et administré une enquête par questionnaire adressée aux gestionnaires des entreprises qui utilisent ou développent des nanotechnologies au Québec. Les résultats de cette démarche montrent que les principaux avantages attendus de ces partenariats sont le partage des connaissances et des ressources pour accéder à de nouveaux marchés et à d'autres sources de financements. En effet, de nombreux organismes au Québec proposent des financements pour les projets effectués en partenariats. Dans ce contexte d'innovation ouverte, les entreprises sont encouragées à collaborer et à rechercher des ressources au-delà de leurs propres frontières pour développer de nouveaux produits ou procédés desquels le réseau de collaborations pourra tirer avantage.  Ces compagnies effectuent une veille technologique pour leur permettre de cibler les nouvelles opportunités et acquérir les connaissances adéquates pour les mettre en œuvre. Par ailleurs, grâce aux progrès des technologies de communication, les notions de distance pour réaliser les partenariats perdent de leur importance. Même si les entreprises ont tendance à se regrouper dans des clusters de même activité sectorielle, les nanotechnologies ne sont pas un facteur influant de ce rapprochement. Ainsi les nanotechnologies interagissent avec les autres technologies (comme pour les biotechnologies ou la micro-électronique par exemple)  tout au  long de la chaîne de valeur  et leur développement amène de nouveaux défis d'intégration dans de nombreux secteurs que les entreprises peuvent résoudre par le biais des collaborations. C'est notamment le cas pour l'augmentation des échelles de production des nanoparticules et l'accès à de nouveaux marchés et donc à de nouvelles opportunités d'application pour ces nanoproduits. Par ailleurs, le transfert de connaissances au Québec est largement encouragé par la mise en place de stages. Ils permettent aux entreprises de bénéficier  d'une expertise issue du domaine universitaire pour accompagner leurs projets de recherche et de développement. Ces stages donnent également l'opportunité de conserver cette expertise à l'interne en employant l'étudiant à la fin de son cursus universitaire. D'un autre côté les relations de collaboration peuvent être perçues comme instables et risquées. Ces risques peuvent agir comme des obstacles et pousser les gestionnaires à refuser de collaborer avec d'autres entités. Le principal risque mis en évidence est celui de ne pas créer de valeur à l'issue du partenariat. Ce risque est caractérisé par un échec lors du développement et de la mise en place de la nouvelle technologie. De plus, lorsque les organismes qui collaborent sont issus de secteurs industriels différents, il est parfois difficile de parler le même langage et de comprendre les attentes réciproques de chacune des  parties prenantes. Ces différences sont parfois difficiles à surmonter lorsqu'il est question de réunir tout le monde autour des mêmes objectifs. Nous avons également séparé les entreprises en deux groupes : Celles qui fabriquent les nanoparticules et donc qui se situent en amont de la chaîne de valeur, et celles qui les utilisent. Pour ces dernières, nous ne pouvons malheureusement pas préciser leur situation dans cette chaîne de valeur tant elle peut varier en fonction des produits et des projets pour lesquels l'entreprise peut avoir recourt aux nanotechnologies. Cependant, les entreprises situées au début de la chaîne de valeur semblent plus sensibles aux risques d'appropriation unilatérale des ressources ou des compétences lors d'un partenariat.  ABSTRACT: In recent years, nanotechnology has become a research area of great interest. These general purpose technologies offer a potential for development in a variety of industries that ultimately could completely change every aspect of our daily lives, opening to new opportunities, new products and new markets. Nanotechnology has pushed governments in many countries to invest in their development because they are able to meet many industrial challenges. It is in this multisectorial context that the knowledge transfer and commercialization is an important dimension. Nanotechnology research is enhanced by the intellectual capital of companies seeking to innovate and improve their products. In this sense, nanotechnology does not imply innovation breakthrough as they are integrated with other technologies. For this knowledge that they do not possess internally, companies must open their borders and orient their business models to information sharing and collaborations with other organizations such as universities, laboratories research, other companies, etc.. Unfortunately phases of research and development of nanotechnology products are long and expansive. In fact, the certification of new products is a very long process that is applied case by case. This is not to encourage potential investors. In this research, we have identified the parameters that managers perceive when they must decide whether or not to cooperate. Our study differs from the work reported in the literature by focusing on the benefits and challenges of partnering for the development of nanotechnology. Our goal is to understand how nanotechnology can affect the parameters of the decision. To do this, we initially conducted semi-structured interviews with academics and representatives of collaboration networks in Quebec. Based on these interviews and our literature analyses, we developed and administered a questionnaire sent to the managers of businesses that use or develop nanotechnology in Quebec. The results of this work show that the main expected benefits of these partnerships is the knowledge and resources sharing to access new markets and other funding sources. Indeed, many organizations in Quebec offer funding for projects carried out in partnership. In this open innovation context, companies are encouraged to collaborate and to seek resources beyond their own borders to develop new products or processes, which will benefit to the whole collaboration network. These companies perform a technology monitoring to identify new opportunities and acquire the knowledge necessary to implement them. Moreover, thanks to advances in communication technologies, the notion of distance loses its importance in order to achieve partnerships. While companies tend to congregate in clusters of same activity, nanotechnology is not an influent factor in this grouping. And nanotechnologies interact with other technologies (like biotechnology and microelectronics, for example) along the value chain and their development brings new integration challenges in many areas that companies can solve by taking advantage of collaborations. This is particularly the case for increasing production scales of nanoparticles and for accessing to new markets and thus new application opportunities for these nanoproducts. In addition, the knowledge transfer in Quebec is widely encouraged by establishing internships. They allow companies to benefit from the expertise of academics to support their research and development. These internships also provide the opportunity to keep this expertise in-house employing the student at the end of his studies. On the other hand, collaborative relationships may be perceived as unstable and risky. These risks may act as barriers and could push managers to refuse to cooperate. The main risk identified is to not create value at the end of the partnership. This risk is characterized by a failure in the development and the implementation of the new technology. Furthermore, when organizations are working together from different industrial sectors, it is sometimes difficult to interact with the same language and to understand the mutual expectations of each stakeholder. These differences are sometimes difficult to overcome when it comes to bring everyone together around a common goal. We also separate companies into two groups: Those who make the nanoparticles and therefore that are located upstream of the value chain, and those who use them. For these, we unfortunately cannot specify their location in the value chain as it may vary depending on products and projects for which the company may be using nanotechnologies. However, firms located at the beginning of the value chain seem more sensitive to the risks of unilateral resources or expertise appropriation in a partnership.


identifier: Damala, Y.-L. (2012). Conception d'un outil d'aide à la décision pour l'entrepôt montréalais d'Air Canada Cargo à partir d'un modèle de simulation  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le domaine du transport de marchandises est rempli de défis auxquels doivent faire face les transporteurs au quotidien. Compte tenu du nombre sans cesse croissant de marchandises transportées, les compagnies doivent s'assurer que leurs systèmes permettent de répondre à la demande tout en respectant les normes en vigueur. C'est dans ce contexte, que s'inscrit le projet de conception d'un outil d'aide à la décision pour Air Canada Cargo. Ce dernier offre des services de fret à l'exportation et à l'importation. Les marchandises transitant par l'entrepôt sont classées selon huit catégories (les solutions) et peuvent être expédiées selon deux niveaux de services (Priorité 1 et Standard). L'objectif est de fournir un outil qui contribuera aux prises de décisions pour l'entrepôt montréalais d'Air Canada Cargo. L'outil permet de tester des changements dans les processus de l'entrepôt à l'aide de la simulation. La problématique consiste à développer un outil à la fois flexible qui tient compte des contraintes opérationnelles liées au traitement des marchandises. La méthode préconisée pour cette étude est en trois étapes. La première étape du travail consiste à représenter les processus d'affaires de l'entrepôt à l'exportation et à l'importation. La seconde étape consiste à construire le modèle de simulation de l'entrepôt avec le logiciel ARENA. Le défi à cette étape est l'agrégation des paramètres de caractérisation des marchandises à l'intrant sous la forme de lois de probabilités en considérant toutes les particularités liées aux données. Les résultats de la simulation servent à générer des valeurs pour les indicateurs de performance préétablis. Ainsi, l'utilisateur de l'outil peut modifier les données entrantes d'un scénario et observer les résultats à partir d'une interface sous un format de fichiers Excel. À la dernière étape, une analyse de scénarios est effectuée. Le scénario de base correspond à la situation de l'entrepôt au moment de la collecte de données. Le nouveau scénario correspond à la situation de l'entrepôt suite à l'ajout de nouvelles opérations dans les processus à l'exportation. En effet, actuellement toutes les marchandises expédiées sont inspectées (rayons X ou manuellement) avant d'être embarquées sur un avion. Les clients détenant une accréditation de Transport Canada sont exemptés de cette inspection. Les indicateurs de performance considérés pour l'analyse des scénarios sont de deux catégories : les temps d'opération liés à l'interaction avec les clients et les temps de traitement des marchandises. Ces deux données sont collectées pour les deux niveaux de services offerts aux clients. L'objectif de l'analyse de scénarios est de déterminer l'impact du nouveau processus sur les temps d'opération. Ainsi, il est possible de fournir des statistiques sur les délais d'expédition des marchandises pour chaque niveau de services. Les résultats de la simulation obtenus pour la situation initiale sont très proches de la réalité. À l'exportation, 96 % des marchandises Priorité 1 sont acheminées vers l'aéroport avant l'heure de départ des vols. De même, 90 % des marchandises Standards sont expédiées avant l'heure de départ des vols. Des résultats similaires sont obtenus à l'importation. Le nouveau processus a un impact non négligeable sur les délais de disponibilité des marchandises. En conservant les mêmes heures d'arrivée des clients et les mêmes heures de départ des marchandises, moins de 60% des marchandises sont livrées à l'aéroport dans les délais. À l'exportation, les temps d'opération liés à l'interaction avec les clients expédiant des marchandises dont le service est de type Priorité 1 est en moyenne de 10 min dans l'entrepôt tandis que pour un client expédiant des marchandises dont le service est de type Standard il est de 30 min dans l'entrepôt. À l'importation, la durée du processus des clients est de 32 min en moyenne pour tous les services. Les changements apportés au nouveau scénario ne concernent que les processus d'exportation. Suite à la simulation du nouveau scénario, le temps d'opération des clients à l'exportation a augmenté de 20 min pour le service Priorité 1 et de 50 min pour le service Standard. Un système logistique est représenté par deux types de réseau : le réseau des flots de produits et le réseau des flots d'information. Le modèle de simulation tel que conçu représente le réseau des flots de produits à l'intérieur de l'entrepôt. Les processus d'affaires servent à décrire l'autre réseau. La compréhension des deux réseaux à la base du système logistique de l'entrepôt montréalais d'Air Canada Cargo permet de prendre de meilleures décisions en vue de son amélioration. L'originalité de l'approche adoptée dans la présente étude est de permettre à l'utilisateur d'avoir accès à toutes les informations liées à chacun des deux réseaux lors des prises de décisions.  ABSTRACT: The domain of goods transportation is full of challenges that carriers must daily face. Given the increasing number of transported goods, companies must ensure that their systems can meet demands while respecting current standards. It is in this context that fits the project of designing a decision tool support for Air Canada Cargo. The company provides freight services for export and import. Goods that go through the warehouse are classified into eight categories (solutions) and can be shipped in two service levels (Standard and Priority 1). The aim of the project is to provide a tool which will help in making decisions for the Montreal's warehouse of Air Canada Cargo. The challenge lies in developing a flexible tool that takes into account operational constraints related to the goods processed. The method used for this study is in three steps. The first one is to represent the business processes of the warehouse at export and at import. The second step is to build the simulation model of the warehouse with ARENA software. The challenge at this step is the aggregation of characterization parameters of goods input with probability laws taking into account all the particularities of the data. The simulation results are used to generate values for the predetermined performance indicators. Thus, the user can modify the data input for the scenario and view the results in Excel files. A scenario analysis is performed at the last step. The baseline scenario corresponds to the situation of the warehouse at the time of data collection. The new scenario corresponds to the situation of the warehouse due to the addition of new operations in the export process. Indeed, currently all shipments are inspected (X-ray or manually) before being loaded on an aircraft. Customers holding a certification from Transport Canada are exempt from this inspection. Performance indicators considered in the scenario analysis are divided into two categories: operating time for customers and for goods. Those two data are collected for both available service levels. The purpose of the scenario analysis is to determine the impact of the new process on operating time. Thus, it is possible to provide statistics on the capacity of the warehouse to meet the delivery times for each service level. The simulation results obtained for the initial conditions are very close to reality. For export, 96 % of Priority 1 goods are transported to the airport before the flight departure time. Similarly, 90 % of Standard goods are available at the airport before the departure time of the flight. Similar results are obtained for import. The new process has a significant impact on the tender of goods. Maintaining the same arrival times for customers and the same hours of departure for the goods, less than 60 % of the goods are delivered to the airport on time. Regarding the clients operating time, for export, a client shipping Priority 1 goods, spends an average of 10 min in the warehouse while a client shipping Standard goods, spends 30 min in the warehouse. At import, a client process time is 32 min for all services. The changes made for the new scenario, concern the export process only. After the simulation of the new scenario, the operating time of clients at export increased by 20 min for service Priority 1 and 50 min for the Standard service. A logistics system is represented by two types of network : the network of goods flow and the network of information flows. The simulation model is designed for representing the flows of goods within the warehouse. Business processes are used to describe the other network. Understanding of both networks at the base of the logistics system of the warehouse of Air Canada Cargo at Montreal can make better decisions for its improvement. The originality of the approach taken in this study is to allow the user to have access to all information related to each network when making decisions.


identifier: Puech, F. (2012). Vers plus de robustesse en reconnaissance d'objets et de visages pour l'analyse d'images issues de vidéos de concert  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les vidéos de concert constituent un exemple typique de documents très populaires qui sont mal indexés par une description textuelle. Une meilleure indexation passe par l'étude du contenu visuel de ces vidéos. Or, les algorithmes à la pointe en analyse d'images sont encore trop peu robustes au contenu hostile des vidéos de concert. C'est pourquoi, nous nous efforçons ici d'identifier les aspects critiques qui limitent l'efficacité des algorithmes classiques de reconnaissance d'objets et d'individus sur les images complexes. Nous proposons alors, le cas échéant, des pistes de solutions pour rendre ces techniques plus robustes au contenu des vidéos de concert. Détection d'instruments. Au chapitre un, nous mettons en lumière les facteurs limitant en pratique les performances des méthodes classiques de reconnaissance d'objets appliquées aux vidéos de concert. Pour ce faire, nous révisons l'ensemble du pipeline de détection d'objets à la lumière des contraintes imposées par le contexte de l'analyse vidéo. Nous identifions et décrivons notamment les écueils suivants: la complexité algorithmique des méthodes, la mauvaise gestion de la multinomialité des contenus, et la fragilité des algorithmes face aux images à contenu riche (scènes complexes).  Complexité algorithmique des méthodes. Le goulot d'étranglement du pipeline d'apprentissage en reconnaissance d'objets réside sans conteste dans le calcul du vocabulaire visuel utilisé pour représenter les images sous la forme d'un histogramme de mots visuels. En effet, l'heuristique des k-moyennes est appliqué à l'ensemble des descripteurs locaux extraits des images d'entrainement, soit un ensemble de très grand cardinal et de grande dimension. Le processus est lourd, et de plus, susceptible de converger vers des minimums locaux. Nous proposons ici une méthode de descente avec relance dynamique, qui permet d'éviter un certain nombre de configurations problématiques sans avoir à réinitialiser complètement l'algorithme. Notre méthode constitue une bonne alternative aux algorithmes de recherche locale ou de relance qui ont étés proposés pour pallier aux manquements de l'algorithme des k-moyennes.  Aussi, proposons-nous une analyse théorique de la complexité de cet algorithme. Nous montrons alors que le nombre de centres, k, utilisés pour le clustering, impacte fortement l'efficacité du processus. Nous posons donc la question de la taille adéquate, k, du vocabulaire visuel utilisé pour l'encodage des images. Sous un angle plus pratique, nous introduisons une heuristique efficace pour le clustering rapide d'un espace de grande dimension peuplé de vecteurs denses, c'est-à-dire adapté à l'estimation du vocabulaire visuel sur des banques de données d'images de grande taille. L'algorithme introduit présente des performances compétitives avec l'état de l'art en termes de clustering rapide. Scènes complexes. L'apprentissage sur des bases de données représentatives de la variabilité des images contenues dans les vidéos de concert est un incontournable pour l'obtention d'un classificateur robuste sur un tel contenu. Ainsi, de manière pratique, est-il nécessaire de disposer, dans la base de données d'apprentissage, d'exemples d'instruments présentés dans les mêmes conditions que dans une vidéo de concert (occlusion par le musicien, variation de couleur et de forme). Une telle variabilité peut être obtenue par collecte automatisée d'images sur le web. Malheureusement, ces images ne sont pas optimisées pour l'apprentissage. Elles consistent en des scènes complexes, incluant l'objet d'intérêt. Or, l'apprentissage sur des images présentant plusieurs objets dans un environnement complexe n'est pas une tâche triviale. Comme nous le montrons au chapitre 3.2, la présence d'arrière-plan nuit aux performances des algorithmes. Le recours à une boîte englobante pour isoler l'objet sur les images d'entraînement permet de résoudre ce problème, mais suppose une intervention humaine coûteuse. Nous proposons donc une méthode permettant d'estimer automatiquement la position d'un objet donné sur des images d'entraînement.  Multiplicité des classes et multinomialité. Enfin, la conception d'un algorithme adapté à la détection de plusieurs classes d'objets, éventuellement multinomiales, souffre d'un manque d'automatisation. Usuellement, une machine à vecteurs de support linéaire est apprise pour chaque classe d'objets. Nous montrons au chapitre 3.3 que cette pratique courante présente plusieurs limitations. Nous proposons donc une méthode à l'intersection entre le SVM multiclasse et les arbres de décision permettant de gérer un nombre important de classes éventuellement multinomiales. Nous montrons que, à encodage égal, cette méthode permet d'améliorer le F1-score de 10% par rapport à une méthode d'apprentissage standard par SVMs.  Reconnaissance de visages. Dans le second chapitre de ce mémoire, nous évaluons l'état de l'art des techniques de reconnaissance d'individus et leur applicabilité aux vidéos de concert. Nous présentons en particulier la méthode d'apprentissage de métrique pour la comparaison dans l'espace des similarités en cosinus et proposons une amélioration. Nous soulignons ensuite l'impact négatif des grandes variations de la pose des individus et du faible nombre d'images disponibles par personne pour l'apprentissage. Enfin, nous explorons les techniques de classification à grande échelle et les structures de données adaptées.  La représentation des visages est différente de la représentation des objets, du fait de leur forme constante. Nous présentons alors les méthodes classiques d'apprentissage et introduisons une méthode de classification basée sur les techniques à la pointe en vérification, en l'occurrence l'apprentissage de métrique pour la similarité en cosinus - CSML. Nous montrons alors que cette technique peut être améliorée par une projection linéaire supplémentaire (LDE) de type Fisher-non paramétrique. L'accroissement de précision observé est de l'ordre de 8%.  La prise en compte de la pose en vérification (comparaison deux à deux de visages) permet d'améliorer considérablement les performances des algorithmes. L'idée consiste à apprendre une métrique adaptée pour la comparaison respective des paires de visages de face, de profil, et les paires face-profil. Nous montrons que ce résultat se vérifie aussi en classification. Par ailleurs, le nombre d'images disponibles pour l'apprentissage par individu impacte aussi fortement les performances des algorithmes de reconnaissance. Sur la base de données Labelled Faces in the Wild, nous mesurons l'impact du nombre d'instances disponibles pour l'apprentissage sur les performances d'un algorithme de classification.  Enfin, nous examinons le scénario de la classification rapide de visages à grande échelle. Nous prouvons la légitimité de la métrique Euclidienne après projection dans un espace optimisé pour la similarité en cosinus. Nous étudions alors les performances des structures de données hiérarchiques pour la classification rapide sur ces bases de données et montrons que la réduction de dimensionnalité est un incontournable pour l'utilisation efficace de ces structures.  Indexation de vidéos de concert. Enfin, nous proposons une stratégie pratique pour l'indexation des vidéos de concert. La méthode proposée est basée sur une description détaillée du contenu visuel et sur une méthode innovatrice d'indexation des évènements musicaux. L'analyse de vidéos en général est un thème complexe. Ici, la restriction aux vidéos de concert simplifie l'étude puisque l'on sait à quel type de contenu s'attendre. Nous proposons donc de procéder à la mesure de plusieurs indicateurs pour évaluer la qualité d'une vidéo : présence d'instruments et d'individus d'intérêt, qualité de la prise de vue, et popularité du groupe et de l'évènement. Le recueil de valeurs de ces paramètres consiste à mettre en œuvre les méthodes développées pour la détection d'instruments et de visages. Il s'agit aussi de proposer un moyen fiable permettant d'estimer la qualité de la prise de vue. Nous introduisons donc une méthode basée sur la mesure du flot optique moyen pour estimer les mouvements de caméra. Enfin, nous décrivons une méthodologie simple pour mesurer la popularité d'un groupe ou d'un évènement musical.  Pour finir, fort de ces mesures, nous étudions le problème de l'indexation de vidéos de concert, et proposons une méthode pour la détection de vidéos inappropriées, à savoir, les vidéos ne représentant pas un concert, les vidéos mal filmées, ou encore les vidéos ne présentant pas le groupe de musiciens d'intérêt.  ABSTRACT: While concerts are a popular subject for the videos found online, they are often poorly indexed relative to other types of media. This thesis aims at introducing a strategy to improve concert video indexing using computer vision techniques from the image recognition field. More specifically, we aim at exploring several key aspects of several state of the art techniques that limit their ability to be properly applied to online concert videos. Instrument detection. In the first chapter, we discuss several factors that bound the performances of traditional object recognition techniques when applied to concert videos. To do so, we go through a commonly used the state of the art object detection pipeline and we identify aspects that are critical for concert video content analysis. More specifically, we identify the following pitfalls: algorithms complexity, poor modeling of content variability, and sensitivity to background on complex scenes.  Algorithm complexity. One bottleneck of the learning pipeline in object recognition is the visual vocabulary computation step. Typically, the k-means algorithm is applied to the space of local descriptors extracted from training images, which is a large space populated with dense high dimensional vectors. Hence, we study the complexity of this algorithm and show that a key parameter is the number of centers, k, used for clustering, which also defines the size of the visual vocabulary. We therefore also explore the appropriate size of a visual vocabulary for image recognition algorithms. More specifically, we introduce a reasonable criterion to choose the value of k, given a set of local descriptors. From a more practical point of view, we implemented a heuristic to improve k-means and prevent local minima to be reached too quickly. This algorithm appears to be competitive with state of the art methods for fast k-means computation.  Background clutter. To obtain a robust classifier for images from concert videos, one cannot rely on a small dataset showing objects under an ideal point of view, on centered images without background. To cope with the large variation of shape and point of view of instruments in concert videos, there is no choice but to learn using a representative dataset. Such a dataset can be obtained by mining the web, as it has been done for the well-known image-net database. Still, if representative of the variety of instruments within classes, images from image-net are not provided with bounding boxes. To label images with the location of the object of interest is a costly operation that we cannot consider at large scale. Thus, we introduce an algorithm to estimate an object location within an image by cross-comparing images from the training-set.  Creating efficient, high performance multiclass classifiers. To conceive a detection algorithm dealing with several object classes, a standard practice consists of training one SVM per object. We show that this strategy can be improved in several ways, in particular by taking into account class multinomiality and by dealing with several classes at the same time. Specifically, we show that the F-1 score can be improved by more than 10% in comparison to standard one-vs-all SVMs.  Face recognition. In the second chapter, we review face recognition techniques. We focus on Cosine Similarity Learning (CSML) and measure its efficiency when applied to the face recognition problem on faces in the wild from the Labelled Faces in the Wild dataset. We show that CSML can be further improved by Linear Discriminant Embedding. Then, we underline the negative impact of pose variations and of the low number of training images per people. At last, we review large scale classification techniques and appropriate data structures.   Face representations differ from object because recognition involves exploring details of the face, not an average shape. We introduce standard methods for face comparison and measure the precision one can get by applying these to the classification problem. Specifically, we experiment with the nearest neighbor classification algorithm on faces projected in the CSML space, which is optimized to separate the different faces under cosine similarity. We show that a further projection can improve the classification accuracy by more than 8%. To explicitly take into account pose on pictures has proven to be a fruitful practise for pairs of faces comparison. The idea consists in learning a specific metric for each pair of pose (frontal-frontal, frontal-side, side-side). Here we show that this observation is also true for the face classification problem. The number of training images per people is another factor that has a major impact on the precision of classification algorithms. On the LFW dataset, we measure the relation between the number of training images and the achieved accuracy. We then discuss the image gathering process and its impact on learning strategies. At last, we discuss the large scale face recognition scenario and we prove that the Euclidian metric can be used for nearest neighbor search after CSML on normalized vectors.  Concert video indexing. Finally, we introduce a methodology for concert videos indexing, based on a detailed description of a video visual content and an innovative event indexing strategy. Video analysis is a wide field of study. Here we focus on concert videos which simplifies the process and allows us to provide a more detailed study. Indeed we know what kind of content one might expect from a good concert video. We thus proceed to measure the following parameters: objects and people of interest, camerawork quality, band popularity and event size.  Features extraction. To gather these features for several videos can be done by using previously developed methods for instruments and person recognition. We then develop an algorithm to measure the quality of camerawork. We thus introduce a technique based on optical-flow and show that a relationship can be drawn between averaged optical flow per frame and camera movement quality. We also introduce basic methods to evaluate the popularity of a band and the popularity of a musical event. We conclude by a model that can detect low-quality videos using the previously mentioned parameters.


identifier: Mustapha, N. (2012). Gestion des vols en retard  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

title: Gestion des vols en retard

abstract: RÉSUMÉ: L'industrie aérienne est caractérisée par la complexité de ses opérations. Ainsi, lorsqu'un retard survient sur un vol, l'impact de celui-ci peut devenir très important, voire même à créer un effet boule de neige sur l'ensemble des activités opérationnelles et des ressources impliquées. Bien qu'un retard peut être causé par des bris mécaniques ou de mauvaises conditions météorologiques, son effet n'est pas négligeable et doit être absorbé le plus tôt possible afin d'en limiter les conséquences. Les options, afin de rétablir la situation lorsqu'un retard survient, sont très restreintes. Ainsi, la première est de rattraper celui-ci en accélérant le vol affecté et la seconde est de ne poser aucune action et donc, d'assumer tous les coûts qui en découlent. L'objectif du projet qui est présenté est de développer un ensemble d'outils d'analyse et d'aide à la décision qu'Air Canada pourra mettre en œuvre afin de prendre de meilleures décisions opérationnelles et financières quant à la gestion des vols accusant des retards. Afin de simplifier le modèle développé des hypothèses générales ont été posées. Premièrement, l'échange de vols entre avions n'est pas une option retenue. Ensuite, seuls les impacts sur le coût du carburant associé à une accélération, les passagers et leurs vols de correspondance, les équipages, le prochain vol du même avion et ses vols de correspondance sont considérés. De la même manière, les annulations et les détournements de vols, les impacts des retards sur les bagages et le cargo, la disponibilité des portes et le trafic aérien ne sont pas considérés. Finalement, les coûts liés à l'insatisfaction des passagers sont ignorés dans cette étude. Pour ce faire, un modèle de décisions, énumérant un ensemble de solutions potentielles a été développé. Celui-ci présente l'effet du retard sur deux vols d'un même avion ainsi que sur leurs correspondances.  À chaque fois que le vol affecté par le retard est accéléré, un ensemble de solutions est généré afin de connaître quelles seront les actions possibles afin de limiter l'effet du retard et rétablir la situation. À ces solutions, sont rattachés des coûts afin de pouvoir les comparer et choisir celles qui seront réalisables à moindre coût. Afin de tester et valider le modèle développé, un prototype a été créé à l'aide de Visual Basic.  Celui-ci a été testé sur quatre scénarios différents. À l'aide de cette application, la pertinence et la cohérence du modèle ont été validées. Les résultats obtenus démontrent clairement que grâce à des accélérations possibles sur les vols, il est possible de rétablir la situation telle que prévue au départ, et ce à moindre coût, tout en assurant la satisfaction des passagers. Également, le temps de résolution faible à l'aide de Visual Basic est l'une des grandes forces de notre modèle. Toutefois, des améliorations possibles peuvent être apportés afin d'augmenter la précision des coûts. Une meilleure estimation des coûts permettrait d'obtenir des solutions avec des coûts plus réalistes.  ABSTRACT: The airline industry is characterized by the complexity of its operations. Thus, when a delay occurs on a flight, the impact of it can become very important, even to create a snowball effect on all operational activities and resources involved. Although a delay may be caused by mechanical failure or bad weather conditions, its effect is not negligible and must be absorbed as soon as possible to limit the consequences. Options to restore the situation when a delay occurs are very limited. The first is to catch it up by accelerating the affected flight and the second is not take any action and, therefore, to assume all associated costs. The aims of the project is to develop a set of tools for analysing options and support decision making that Air Canada can implement to make better decisions regarding operational and financial management of delayed flights. In order to simplify the model, this study considers several general assumptions. First, the exchange of aircraft between flights (swap) is not an option. Second, only the impact on fuel costs associated with an acceleration, passengers and their connections, the crew, the next flight of the same aircraft and its connections are considered. Similarly, cancellations and diversions of flights are not considered. Along the same line, the impact of delay on baggage, cargo, gates availability, and air traffic are also not considered. Finally, passengers dissatisfaction costs are also ignored in this study.   A decision model, identifying a set of solution has been developed. This model shows the effect of delay on two flights on the same plane and their correspondences by computing delay costs. Whenever the flight affected by a delay is accelerated, a set of solutions is generated in order to know the possible actions that minimize the effect of delay and recover the situation. For each solution, costs are associated in order to compare them and choose the ones that are achievable at lower cost. A prototype using Visual Basic was created to test and validate the proposed model. This model was therefore tested on four different scenarios, which validate the relevance and consistency of the model. Indeed, the results clearly show that with the acceleration of flights, it is possible to restore the situation that was originally planned, at lower cost, while ensuring passenger satisfaction. Also, the low resolution time using Visual Basic is one of the great strengths of our model. However, improvements can be made to increase the accuracy of cost. A better calculation of the cost involved in the project would provide solutions with more realistic costs.


identifier: Desmarais, F.-X. (2012). Comparaison d'une approche à base de règles avec une approche utilisant de l'apprentissage machine pour l'analyse sémantique  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'analyse sémantique est une importante partie du traitement des langues naturelles qui repose souvent sur des modèles statistiques et des approches d'apprentissage machine supervisé. Cependant, ces approches nécessitent des ressources qui sont souvent coûteuses à acquérir. Ce mémoire décrit nos expériences afin de comparer Anasem, un analyseur sémantique en Prolog, avec le meilleur système de la tâche partagée (« Shared Task ») de la « Conference on Natural Language Learning » (CoNLL) sur l'analyse sémantique. Le meilleur système de CoNLL et Anasem sont basés sur des analyses de dépendance, mais leur différence majeure se situe au niveau des techniques d'extraction des structures sémantiques (à base de règles, par opposition à l'apprentissage machine). Nos résultats montrent qu'une approche fondée sur des règles est une solution capable de rivaliser avec les systèmes d'apprentissage machine sous certaines conditions.  ABSTRACT: Semantic analysis is a very important part of natural language processing that often relies on statistical models and supervised machine learning approaches. However, these approaches require resources that are costly to acquire. This paper describes our experiments to compare Anasem, a Prolog rule-based semantic analyzer, with the best system of the Conference on Natural Language Learning (CoNLL) shared task on semantic analysis. Both CoNLL best system and Anasem are based on a dependency representation, but the major difference is how the two systems extract their semantic structures (rules versus machine learning). Our results show that a rule-based approach might still be a promising solution able to compete with a machine learning system under certain conditions.


identifier: Coulombe, V. (2012). Performance de recouvrements isolants partiels pour contrôler l'oxydation de résidus miniers sulfureux  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Un défi environnemental important de l'industrie minière est la restauration des parcs à résidus miniers, particulièrement lorsque les résidus ont un potentiel de génération de drainage minier acide (DMA). Le DMA est causé par l'oxydation naturelle de minéraux sulfureux au contact de l'oxygène de l'air et de l'eau, phénomène pouvant mener à une contamination des eaux de drainage. Le recouvrement isolant est une méthode de restauration spécialement conçue pour les conditions nordiques. Cette méthode vise à intégrer les résidus miniers dans le pergélisol afin de les maintenir dans un état constamment gelé et ainsi éviter la génération de DMA. L'objectif principal du projet est d'évaluer la performance à limiter l'oxydation des résidus miniers sulfureux de deux configurations de recouvrements isolants partiels (0,4 m et 1,2 m) installés sur le parc à résidus de Mine Raglan. Pour ce faire, une approche basée sur la mesure directe de la réactivité des résidus sous les recouvrements isolants partiels avec le test de consommation d'oxygène est utilisée. De plus, la température, la teneur en eau volumique et la succion à la surface des résidus et dans les recouvrements isolants partiels sont mesurés afin d'évaluer l'effet du comportement thermo-hydrique sur la réactivité des résidus miniers pour ce site en particulier.  ABSTRACT: An important challenge for the mining industry is the reclamation of tailings storage area, especially when tailings can generate acid mine drainage (called AMD). AMD is caused by the reaction of sulfide minerals in tailings exposed to air and water. Integrating tailings within the permafrost by the use of an insulation cover is a reclaiming method designed and used especially for Nordic conditions. The main objective of this project is to evaluate the performance of partial insulation covers (0.4 m and 1.2 m thick) built on the Raglan Mine tailings storage facility. The method used to assess the performance of the partial insulation covers includes oxygen consumption tests (OC tests) for measuring tailings reactivity under the partial insulation covers. Moreover, temperature, volumetric water content and suction measurements at various depths in the cover material and in sulfide tailings allow to study the effect of the partial covers' hydro-thermal behavior on tailings reactivity for this particularly site. Cover and tailings materials were characterized for their mineralogical, physical, hydrogeological and thermal properties. Results show that the tailings hydrogeological properties are typical for that kind of material (saturated hydraulic conductivity around 1x10-5 cm/s and air entry value around 20-30 kPa). Tailings have a good potential for acid generation with their high sulfide content (10 to 20% wt) and low neutralization potential. Tailings reactivity at different degrees of saturation was evaluated in laboratory, and oxygen consumption test variability was assessed in situ in the Raglan Mine tailings storage facility. Cover material (0-20 mm) has a saturated hydraulic conductivity near 1x10-1 cm/s and an air entry value around 1 kPa; its geochemical behavior is not considered problematic. In situ characteristic soil freezing curves for tailings and cover material agree well with water retention curves obtain in laboratory for suction greater than 1x103 cm. In situ water retention curves agree well with the laboratory water retention curve for cover material but underestimate water retention for tailings.


identifier: Désilets, S. (2012). Tendances liées à la composition, la motorisation et la localisation spatiale des ménages  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Selon les données de l'enquête Origine-Destination de la région de Montréal en 2008, le nombre moyen de kilomètres parcourus quotidiennement par les 25-55 ans était de 19,3 km pour les personnes habitant seules, de 21,6 km pour les individus habitant en duo, de 22,6 km pour ceux faisant ménage à 3 et de 23,6 km pour ceux habitant un ménage de 4 personnes et plus. Au niveau du nombre de déplacements, les femmes âgées entre 30 et 44 ans vivant dans ce dernier type de ménage réalisent en moyenne 3,4 déplacements par jour contre 2,7 pour celles habitant à deux. Quant à la motorisation, le nombre de véhicules par ménage croît en fonction de sa taille et de sa distance au centre-ville quoiqu'un plateau de 0,8 véhicule par individus de 16 ans et plus soit atteint à partir de 24 kilomètres du centre-ville et cela pour tous les types de ménage mentionnés précédemment. Enfin, la présence de membres dépendants au sein d'un ménage, tels que de jeunes enfants, viennent affecter à la fois les comportements de mobilité des individus, la motorisation et la localisation spatiale des ménages. Ces distinctions de comportements par type de ménage se conjuguent avec des tendances lourdes au niveau de la croissance accélérée du nombre de ménages. Dans la région métropolitaine de recensement (RMR) de Montréal, environ 15 000 ménages supplémentaires y sont recensés annuellement. Dans un portrait plus large, entre 1991 et 2006, la croissance de la population a été de 2,9 % alors que le nombre de ménages a augmenté de 11,3 %.  ABSTRACT: According to data from the Origine-Destination survey conducted in the Montreal region in 2008, the average daily distance travelled by 25 to 55-year-olds amounted respectively to 19.3 km for single-person households, 21.6 km for adults from two-person households, 22.6 km for adults from three-person households, and 23.6 km for those belonging to households of four persons or more. In that last household type, women between age 30 and 44 make approximately 3.4 trips a day, whereas women in a two-person household make 2.7 trips a day. As for motorisation, the number of vehicles by household increased according with the household size and the distance from home to downtown. Also, the presence of dependant members of a household, such as young children, affects the mobility behaviours of people, as well as the motorisation and geographic location of households. These behaviour distinctions vary according to large tendencies in the accelerated growth of the number of households. In the Montreal Census Metropolitan Area (CMA), about 15 000 more households are annually identified. In a larger portrait, between 1991 and 2006, the population growth was 2.9%, when the number of households increased to 11.3%.


identifier: Koorevaar, T. (2012). Dynamic Enforcement of Security Policies in Multi-Tenant Cloud Networks  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Au cours des dernières années, l'évolution des nouvelles technologies a été drastique. Désormais, les ordinateurs et les réseaux ont une place cruciale, que ce soit pour les individus, les grandes entreprises ou les gouvernements. Internet est devenu une partie importante de nos vies personnelle et professionnelle, et est devenu une infrastructure critique au même titre que les réseaux électriques, tant la quantité de données numériques et devenue importante.  Cette évolution continue avec la montée en puissance de l'informatique en nuage. Dans ce nouveau modèle, on peut accéder à distance à des logiciels, à du stockage numérique ou bien à des infrastructures. Les machines sont regroupées en centre de données dont l'accès se fait de manière transparente par internet.  La sécurité de l'information est devenue primordiale en informatique, et également dans l'informatique en nuage. En effet, les entreprises exportant leurs données désirent obtenir le même niveau de sécurité que sur leurs propres installations, tant leurs données peuvent être sensibles.  Nous appellerons middlebox, un élément du réseau autre qu'un routeur ou commutateur, ayant pour fonction d'inspecter et de filtrer les paquets, dans un but autre que la retransmission de paquet. Un pare-feu est un bon exemple de middlebox.  Les solutions existantes pour sécuriser l'informatique en nuage prennent rarement en considération la traversée de chaînes de sécurité consistant en l'application successive de middlebox de sécurité. En effet, les solutions courantes se concentrent plus sur l'isolation des trafics entre les différents clients du centre de données. De plus, les solutions prenant en compte l'application de middlebox le font d'une façon qui empêche, ou tout du moins qui contraint la migration des nœuds au sein du réseau.  Notre projet consiste en la création d'une architecture permettant l'application de politiques de sécurité par client, au sein d'un centre de données en nuage. Les politiques de sécurité seront des séquences de middlebox que le trafic des clients devra traverser. En effet, c'est de cette façon que la sécurité est assurée dans les entreprises. L'application de ces politiques de sécurité devra prendre en compte la migration des machines au sein du réseau.  Plus précisément, le trafic devra traverser uniquement la séquence de middlebox requise par le client, pas une de plus, pas une de moins. L'application des politiques doit être automatiquement reconfigurée lors de la migration des machines virtuelles.  Afin de réaliser ce projet, nous utilisons une architecture de réseau programmable afin d'atteindre nos objectifs. Dans cette architecture, le plan de contrôle est découplé du plan de données ce qui permet de centraliser la gestion du réseau. Les clients de notre architecture définissent le niveau de sécurité qu'ils veulent voir être appliqué à leur machines. Nous utilisons un identifiant d'application, AppID), afin de désigner une politique de sécurité en particulier.  Nous supposons que l'hyperviseur a la capacité d'insérer cet AppID au sein des paquets, lorsqu'une machine en émet. Au moment où le premier paquet d'un flux atteint un commutateur du réseau, il est transférer au contrôleur de réseau, qui a pour tâche de lire cet AppID. En fonction de ce dernier, le contrôleur détermine la chaine de sécurité à appliquer au trafic.  Nous définissons différents marqueurs (que nous nommons EEL-tags) afin d'effectuer le routage des paquets au sein du réseau. Ceux-ci sont subdivisés en gTag et iTag. Les gTags correspondent à des types de middlebox, tandis que les iTags correspondent à des instances de middlebox.  Ainsi, une chaîne de sécurité est définie par des gTag. On s'en sert afin de déterminer quels types d'instances seront traversés, tandis que les iTags correspondants sont utilisés afin d'effectuer le routage des paquets au sein du réseau, en définissant la prochaine instance à traverser.  Le contrôleur conserve une base de données liant les instances de middlebox ainsi que leurs tags correspondants.  En ajoutant ces  EEL-tags aux paquets, notre modèle procure une façon simple et automatique d'appliquer des politiques de sécurité, tout en s'assurant de leur cohérence malgré la migration des nœuds. De plus, notre modèle permet au réseau d'être divisé en petites zones, chacune d'entre elle étant contrôlée par un contrôleur de réseau spécifique. Lorsque les machines émettrice et réceptrice se trouvent dans deux zones différentes, l'application de la politique de sécurité peut être divisée entre les différentes zones.  Nous avons développé un prototype que nous avons testé dans un environnement simulé. Bien que de nombreux aspects de notre implémentation requièrent de l'amélioration afin d'obtenir une solution commerciale, cette expérimentation nous a permis d'obtenir une preuve de concept de notre architecture. Nous avons notamment pu observer que les politiques de sécurité restent cohérentes malgré la migration de nœuds.  ABSTRACT: During the past decades, the evolution of technology has drastically changed our ways. All major enterprises, government services, and even us as individuals, rely on computers and networks. They have become a part of our personal and professional lives and represent nowadays a critical infrastructure as the amount of data stored numerically as well as its sensitivity has grown considerably.  This evolution continues with the rise of cloud computing. In this new model, one can access software, digital storage or infrastructure without constraints, as the hardware is pooled in remote data center, accessed seamlessly via Internet.  Security has become a major concern in computer science in general and in the cloud in particular, as enterprises moving to the cloud would have to export some of their sensitive data. Therefore, the cloud providers need to offer a level of security which matches what the companies have in their on-site installations.  A middlebox is a network appliance that inspects and filters packets for purposes other than packet forwarding. A firewall is a good example of a middlebox.  Existing solutions to secure the cloud rarely take in consideration the traversal of middleboxes, as they focus mainly on creating isolation between the different tenants. Furthermore, the solutions considering the traversal of middlebox sequences do so in a way which does not permit the migration of nodes.  Through our project, we aim to create a cloud architecture allowing the application of security policies per tenant. The security will consist in sequences of middleboxes to be traversed, as it is the way commonly used by enterprises to secure their networks. The enforcement of security policies will have to take in consideration the multi-tenant aspect of the cloud, as well as the node migration.  Particularly, traffic should traverse middleboxes in the sequence required by the tenant and should not traverse unnecessary middleboxes. The enforcement of policies should be automatically re-configured due to VM migrations.  In this work, we propose a method of leveraging the current Software-Defined Network (SDN) architecture for efficient policy enforcement. SDN is a form of network architecture in which the control plane is separated from the data plane, allowing the network to be centrally managed. Therefore, the tenants define the security design they want to apply to their Virtual Machine (VM), or groups of VMs. In order to identify the security policies, we use an Application ID (AppID), which actually refers to a chain of middleboxes to be traversed.  We assume that the running hypervisor has the capability to add this AppID into the flow when a VM emits packets. When the first packet of a flow reaches a switch, it is forwarded to the network controller, which in turn retrieves the AppID from the packet. Based on the AppID, the controller determines the chain of middleboxes to be traversed.  In order to route the packets through the middleboxes, our model defines labels to apply to each flow of packets (EEL-tags). The latter are divided in generic EEL-tag (gTag) and  instance EEL-tag (iTag). Each gTag corresponds to a middlebox type, and each iTag corresponds to a middlebox instance. The security chain is defined by a chain of gTags. The iTags are added to the packets in order to route the packets across the network, defining the next middlebox the packet must be sent to.  By using the EEL-tags, this model provides a simple way to automatically enforce security policies, while keeping them consistent despite node migration. Furthermore, we allow the network to be partitioned in different zones, each zone being ruled by a specific controller. When the VM source and destination belong to different zones, the enforcement of security policies can be spread between the different zones.  We created a prototype of our model that we tested in a simulated environment. Although many aspects of our implementation will have to be improved in order to obtain a viable commercial solution, testing our prototype provided us with a proof of concept. Particularly, it showed how the security policies remain consistent despite node migration.