The transition toward sustainable polymers requires alternatives to conventional isocyanate-based polyurethanes that retain performance while reducing environmental and health concerns. Polyhydroxyurethanes (PHUs), synthesized via cyclic carbonate aminolysis, represent a promising isocyanate-free polyurethane platform, but their development has so far been limited by relatively low mechanical performance and challenges in processing. This thesis addresses these limitations through the design of bio-based PHUnanocomposites reinforced with polysaccharide nanomaterials, with emphasis on interfacial chemistry, nanofiller morphology, and processing strategy.

The first part focuses on interface engineering through epoxy hybridization and polysaccharide reinforcement. Incorporation of epoxy resins into PHU matrices significantly increased modulus and tensile strength, though at the expense of ductility, leading to brittle behavior at higher epoxy contents. Complementary reinforcement with cellulose nanocrystals (CNCs) provided a more synergistic improvement, enhancing both modulus and strength while maintaining a strain-to-failure above 240%, a key advantage for applications requiring both strength and toughness. A second system based on segmented PHUs reinforced with CNCs and partially deacetylated chitin nanocrystals (ChNCs) demonstrated the critical role of interfacial interactions. CNCs, engaging primarily through hydrogen bonding, tripled the modulus (up to 1.2 MPa), while ChNCs, capable of covalent grafting to the PHU matrix, showed over 140-fold modulus enhancement (58.8 MPa) and a ~20-fold increase in tensile strength compared to neat segmented PHU.

The second part explores processing strategies for PHU-based nanocomposites. Reactive extrusion was employed as a solvent-free route to synthesize PHU/ChNC nanocomposites, achieving homogeneous nanocrystal dispersion and improved thermomechanical stability. These nanocomposites exhibited a storage modulus up to three orders of magnitude higher than neat PHU rubbery state and displayed ferroelectric-like polarization switching, demonstrating potential for energy-harvesting applications. In parallel, an aqueous one-pot synthesis was developed to prepare PHU hydrogels reinforced with chitin nanofibers and form double-network (DN) architectures. These DN hydrogels achieved compressive modulus up to 0.39 MPa in the wet state and tensile Young’s modulus above 20 MPa after drying. The ability to tailor performance through nanofiber surface chemistry and loading demonstrated the versatility of this approach for designing high-performance, sustainable hydrogels.

In summary, this work establishes systematic strategies to improve the mechanical performance of PHUs by combining interfacial engineering with processing control. The findings demonstrate that renewable nanofillers, integrated into tailored PHU matrices through scalable methods, can significantly expand the property profile of these isocyanate-free polymers and open new pathways toward sustainable, high-performance materials.

Övergången mot hållbara polymerer kräver alternativ till konventionella isocyanatbaserade polyuretaner som kan bibehålla prestanda samtidigt sommiljö- och hälsorisker minskas. Polyhydroxyuretaner (PHU), framställda genom aminolys av cykliska karbonater, utgör ett lovande alternativ men begränsas av måttliga mekaniska egenskaper och processeringsutmaningar. Denna avhandling behandlar dessa utmaningar genom att utveckla biobaserade PHU-nanokompositer förstärkta med polysackaridbaserade nanomaterial, med fokus på interfas-kompatibilitet, fyllmedelsmorfologi och processtrategier.

Den första delen betonar interfasengineering genom epoxihybridisering och polysackaridförstärkning. Inblandning av epoxihartser i PHU-matriser ökade elasticitetsmodul och draghållfasthet avsevärt, men på bekostnad av duktilitet, vilket ledde till sprött beteende vid högre epoxiinnehåll. Komplementär förstärkning med cellulosananokristaller (CNC) gav mer balanserade förbättringar genom att öka modul och hållfasthet samtidigt som brottöjningar över 240 % bibehölls, en avgörande fördel för mjuka tillämpningar som kräver seghet. Ett andra system fokuserade på segmenterade PHU förstärkta medCNC och partiellt deacetylerade kitinnanokristaller (ChNC), vilket ytterligare tydliggjorde interfasens betydelse. CNC, bundna via vätebindningar, tredubblade modulen (upp till 1.2 MPa), medan ChNC, kapabla till kovalent bindning med PHU-matrisen, uppnådde mer än 140-faldig ökning av modulen (58.8 MPa) och cirka 20-faldig ökning av draghållfastheten jämfört med obelagd segmenterad PHU.

Den andra delen undersöker processtrategier. Reaktiv extrudering användes som ett lösningsmedelsfritt tillvägagångssätt för att framställa PHU/ChNC nanokompositer med homogen dispersion och förbättrad termomekanisk stabilitet. Dessa kompositer uppvisade lagringsmoduler i det gummielastiska tillståndet upp till tre storleksordningar högre än ren PHU och visade ferroelektriskt liknande polariseringsomkoppling, vilket indikerar potential för energiutvinning. Parallellt tillämpades en vattenbaserad enstegssyntes för att framställa PHU-hydrogeler förstärkta med kitinnanofibrer i dubbelnätverksarkitektur (DN). Dessa DN-hydrogeler uppnådde kompressionsmoduler upp till 0.39 MPa i vått tillstånd och dragmoduler över 20 MPa efter torkning. Möjligheten att anpassa prestanda genom nanofibrernas yt-kemi och inblandning visade ytterligare metodens mångsidighet.

Sammanfattningsvis etablerar detta arbete systematiska strategier för att förbättra de mekaniska egenskaperna hos PHU genom att kombinera interfasengineering med processkontroll. Resultaten visar att förnybara nanofyllmedel, i kombination med skräddarsydd matrisdesign och skalbara processer, kan omvandla PHU till konkurrenskraftiga kandidater föravancerade tillämpningar där hållbara men högpresterande polymermaterial krävs.