A、不锈钢杯是由铁的合金组成，属于金属材料；

B、木桶主要是木材制成，成分为天然纤维素，不是人工合成的．

C、棉布毛巾是用棉花纤维制的，棉花纤维是天然纤维，非有机合成；

D、涤纶属于人工合成的高分子材料，所以涤纶制成的航天服中的主要材料是有机合成材料．

故选D．